2.1 μm可调谐多波长掺钬光纤激光器

2019-05-24于秀明丁云飞马万卓赵得胜刘润民王天枢

应用光学 2019年3期

于秀明，丁云飞，马万卓，赵得胜，刘润民，王天枢

(1.长春理工大学光电信息学院电子工程分院，吉林长春130114；2.长春理工大学光电信息学院，吉林长春130114；3.长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林长春 130022)

引言

2.1 μm激光位于人眼安全波段，可广泛应用于激光雷达、传感、空间光通信、医疗手术、工业加工、3 μm～5 μm中红外光源的产生等领域[1-4]。掺钬光纤激光器效率高、光束质量好[5-7]，是2.1 μm波段最有前景的光源。近年来，掺钬光纤激光在输出功率、宽调谐范围和短脉冲等方面已取得了快速的进展[8-12]。多波长光纤激光器具有可输出多波长激光，结构紧凑、低成本、光束质量高、插入损耗低等特点，在密集波分复用(DWDM)光网络、分布式光纤传感系统和光子微波技术等领域应用潜力巨大[13-15]，最近10多年来备受瞩目并得以蓬勃发展。随着长波段光纤器件的成熟，为2.1 μm波段多波长光纤激光器研究提供了条件，成为光纤激光器领域的研究热点。

采用非线性效应的多波长光纤激光器，输出波长数多、信号稳定，近年来成为多波长光纤激光器的研究重点。非线性多波长光纤激光器的主要方法有非线性偏振旋转效应(NPR)[16]、非线性放大环形镜(NALM)[17]、受激布里渊散射效应(SBS)[18]及四波混频效应(FWM)[13]等。本文提出采用光纤Sagnac干涉仪设计的多波长掺钬环形光纤激光器，采用最高输出功率1 W的光纤激光泵浦一段3 m长单模掺钬光纤，实验获得了2.1 μm波段1～6个波长的激光输出，3 dB线宽为0.05 nm，边模抑制比为48 dB。

1 结构与原理

可调谐多波长掺钬光纤激光器结构如图1所示。采用掺铥光纤激光器通过一个1 900 nm/2 050 nm波分复用器(WDM)泵浦一段3 m长的掺钬石英光纤(HDF)，产生2.1 μm波段光放大，其反向增益光的20%通过输出耦合器输出，80%的光通过耦合器另一端口反馈回谐振腔中再次放大，形成粒子数反转。采用Nufern SM-HDF-10/130的HDF，工作波长2 100 nm～2 200 nm，纤芯直径10 μm，包层直径(130.0±2.0)μm，数值孔径为0.15。一个偏振控制器(PC)和一段8 m长保偏光纤(PMF, Nufern PMF1950)接入环形腔构成光纤Sagnac干涉仪，进行周期滤波，实现激光的选频。隔离器(OC)的作用是保证谐振腔中的光单向运转，并提高激光信噪比，其隔离度大于40 dB，插入损耗小于0.5 dB，工作带宽30 nm。

图1 可调谐多波长掺钬光纤激光器结构Fig.1 Configuration of tunable multi-wavelength Ho3+-doped fiber laser

掺铥光纤激光器采用环形腔，其泵浦源为分布反馈(DFB)半导体激光二极管(Tektronix, OM2210)，发射波长1 570 nm，线宽100 kHz，采用放大器可实现输出最大功率1 W。泵浦光通过1 570 nm/1 900 nm波分复用器(WDM)注入TDF，产生1 900 nm波段光辐射，利用反向增益和FP滤波器选频，从20∶80输出耦合器(OC)的20%端口输出激光。通过一个输出功率1 W的TDFA放大后，作为泵浦光进入掺钬光纤激光器谐振腔中。

作为泵浦源的1.9 μm光纤激光器采用环形腔结构，1.57 μm激光通过一个1 570 nm/2 000 nm波分复用器泵浦一段4 m长掺铥光纤(TDF Nufern, SM-TSF-9/125) ，纤芯直径9 μm，包层直径(125.0±1.0) μm，数值孔径0.15，产生1.9 μm波段自发辐射。采用可调谐滤波器(Agiltron Lnc)选频，其波长调谐范围200 nm，滤波带宽小于0.2 nm。输出耦合器中，20%的光输出，80%的光作为反馈回到谐振腔中再次放大，获得1.9 μm波段激光振荡，通过可调谐滤波器实现输出激光波长的调谐。输出的1.9 μm激光再通过掺铥光纤放大器(TDFA)放大至1 W，从而获得功率较高的1.9 μm激光泵浦掺钬光纤激光器。

2 泵浦波长的优化

实验中，首先开展了泵浦波长的优化研究。由于3 m长的掺钬光纤对1.9 μm波段泵浦激光的吸收会在各波长呈现不同的效率，则一定存在对某些波长激光的吸收较高，对某些波长激光的吸收相对低的情况，通过产生的自发辐射光谱强度可以判断各波长的吸收效率。光谱测试采用光纤光谱分析仪(OSA, AQ6375)，扫描范围1 200 nm～2 400 nm，分辨率为0.05 nm。实验将选用吸收效率较高、自发辐射强度较高的泵浦波长，以实现2.1 μm激光输出。通过调谐泵浦光纤激光器中可调谐滤波器的滤波波长，获得泵浦光输出波长宽带调谐，调谐范围1 870 nm～1 945 nm。采用1 870 nm、1 885 nm、1 900 nm、1 915 nm、1 930 nm、1 940 nm等6个输出波长的激光泵浦3 m长掺钬光纤，产生的自发辐射光谱如图2所示。不论是正向自发辐射，还是反向自发辐射，当泵浦激光波长为1 900 nm时，辐射光谱强度均为最高，可以判定3 m长掺钬光纤对该波长泵浦光吸收效率最高。因此，多波长掺钬光纤激光器实验中，将采用1 900 nm激光作为泵浦源。

图2 不同泵浦波长下3m掺钬光纤的自发辐射光谱Fig.2 Spectrum of amplified spontaneous emission of3m Ho3+-doped fiber at different pumpwavelengths

3 光纤Sagnac干涉仪滤波原理

实验中采用的多波长滤波器为光纤Sagnac干涉仪，具有周期滤波特性，在环形腔内由Sagnac干涉仪滤波效应产生的光传输反射和透射系数为

R=4k(1-k)(1-sin2θcos2φ)

(1)

T=1-R=(2-2k)2+4k(1-4k)×

(1-sin2θcos2φ)

(2)

式中：θ为光入射到Sagnac干涉仪时偏振方向旋转的角度；φ=πΔnL/λ为光的不同偏振态在快慢轴上传播相同距离产生的相位差；Δn是PMF快慢轴的有效折射率差；L为PMF长度；λ为入射光的波长；k为耦合器耦合比。因此反射和透射系数与入射光的偏振态无关。

取耦合系数k=0.5，双折射光纤(HiBi)的长度为L=2 m，快慢轴的折射率差Δn=0.000 5，入射光经过PC后旋转的角度θ分别取π/6、π/4、π/2，观察不同PC状态下的透射谱线。通过数值计算，获得了Sagnac干涉仪周期滤波的仿真曲线，如图3所示。Sagnac干涉仪透射率的大小随着PC状态的改变而改变，并且当θ=π/2时消光比有最大值。另外，当PC状态改变时，波长间隔没有发生改变。

图3 光纤Sagnac干涉仪滤波仿真光谱Fig.3 Simulated spectrum of fiber Sagnac interferometer filter

实验采用8 m长保偏光纤，通过功率为1 W的1.9 μm激光泵浦3 m掺钬石英光纤获得2.1 μm波段自发辐射宽带光，再通过Sagnac干涉仪滤波，获得的周期滤波透射光谱如图4所示。通过调节偏振控制器状态，滤波器透射率可调谐，但是滤波器周期并未发生变化，相邻的滤波峰值间隔为1.5 nm。

图4 Sagnac干涉仪透射光谱Fig.4 Spectrum of fiber Sagnac interferometer

4 实验结果与讨论

1.9 μm光纤激光器的输出经掺铥光纤放大器放大后功率为1 W，经1 900 nm/2 050 nm波分复用器注入3 m长掺钬光纤中，产生2.1 μm波段光增益。通过光纤Sagnac干涉仪选频和环形腔中光不断地放大，在输出端获得2.1 μm波段激光。通过调节泵浦功率，能够实现输出功率1 mW～15 mW连续可调，而输出的多波长激光光谱如图5所示。通过调节偏振控制器改变腔内激光偏振态来抑制一些波长振荡，2.1 μm波段得到1～6个波长数的多波长激光输出，1 h内不同波长数的多波长激光输出光谱比较稳定。

图5 多波长激光光谱Fig.5 Spectrum of multi-wavelength fiber laser

输出波长间隔由Sagnac干涉仪滤波间隔决定，谐振波长通过模式竞争，均应集中于增益带宽内增益较高的部分，即2 095 nm～2 100 nm附近。通过偏振控制器调节腔内偏振损耗，可实现增益的调节，增益较低时获得较少的波长数量，增益较高时可获得较多的波长数量。本实验通过调节PC，最多获得了6个波长激光输出，集中在2 092 nm～2 107 nm之间。如图6所示，2.1 μm激光的3 dB线宽约为0.05 nm，边模抑制比为48 dB。1 h内波长稳定性为±0.05 nm，功率稳定性为±0.1 mW。