偏振耦合实现分布反馈光纤激光保偏输出

宋志强，祁海峰，倪家升，王伟涛，郭健，姜鹏波，王昌

(齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院激光研究所,山东 济南 250014)

相干性好是激光得以广泛应用的显著优点，而线宽和偏振是影响激光相干性的两项关键指标，具有窄线宽线偏振特点的激光器在激光陀螺[1-2]、光纤传感[3-4]、相干光束合成[5-6]等领域具有重大的应用价值。线偏振窄线宽激光器一般是在窄线宽激光器的基础上进行偏振模式控制并由保偏光纤传输，目前主要采取的方案有保偏光纤耦合输出的外腔半导体激光器[7]、基于保偏光纤光栅谐振腔的分布布拉格反射(distributed Bragg reflection，DBR)光纤激光器[8]和全保偏光路的环形腔光纤激光器[9]等几种技术。

分布反馈光纤激光器(distributed feedback fiber laser, DFB-FL)是一种固有单频激光器，在诸多单频激光器种类中具有最稳定的单纵模运转和最低的噪声水平[10]，并且通过优化光栅刻写参数能够实现稳定的单偏振激光运转[11]。但目前一方面未有成熟的商用保偏掺铒光敏光纤用来直刻保偏的DFB-FL，另一方面即使采用保偏掺铒光纤直刻，工艺上也难以保证激光偏振方向与保偏光纤光轴完全匹配。以上技术瓶颈造成现有的DFB-FL均为单模光纤结构，失去了其单线偏振运转的技术优点。对此，我们借鉴保偏光纤耦合输出的外腔半导体激光器经验，将具有单线偏振性能的DFB-FL输出尾纤替换为保偏光纤，通过监测激光功率和偏振消光比的变化，反馈调节DFB-FL激光偏振方向与保偏尾纤慢轴一致，低损耗熔接，从而实现DFB-FL激光的偏振模式耦合和保偏输出。

1 技术原理

DFB-FL一般是由紫外激光在光敏掺铒光纤上刻写相移光纤光栅构成，光纤光栅的侧面曝光工艺会导致光纤切向折射率分布不均匀，造成光纤极化，因此光纤光栅是存在双折射效应的[12]。控制掺铒相移光纤光栅曝光深度，进而控制光栅极化程度在合理范围，能够让某一方向的偏振模具有较高的激光阈值，不能够起振，从而使DFB-FL具有稳定的单纵模单偏振运转特性[13]。

DFB-FL的结构一般如图1(a)所示，泵浦光经波分复用器(wavelength division multiplexing，WDM)进入掺铒相移光纤光栅构成的增益介质谐振腔，在泵浦光激励下产生单纵模线偏振激光，激光经WDM和光隔离器输出，剩余泵浦光从掺铒相移光纤光栅尾纤输出。由于掺铒相移光纤光栅的尾纤是单模光纤，激光传输过程中难以保持线偏振特性，经过一定传输距离后会退化为椭圆偏振光，并且偏振消光比极不稳定，随光纤弯曲扭转状态变化很大。

DFB-FL中激光的偏振方向是由刻写光纤光栅时，紫外光的照射方向所决定，因此在掺铒相移光纤光栅刻写完成后，激光的线偏振方向是固定的，沿轴向旋转光纤光栅，激光线偏振方向也随之转动。据此，可以用保偏光纤替换原有的单模尾纤，偏振模式耦合后熔接到掺铒相移光纤光栅弱侧，实现线偏振激光的保偏输出。图1(b)所示为DFB-FL激光偏振模式耦合输出工作原理，泵浦光经保偏波分复用器进入保偏光纤，将掺铒相移光纤光栅激光输出端原单模尾纤用光纤用切割刀切除，分别将保偏光纤和掺铒相移光纤光栅放入保偏熔接机，并进入待熔接的包层对齐状态，后向输出激光经保偏波分复用器和保偏隔离器输出后由消光比测试仪(Thorlabs ERM100)和功率计(EXFO FPM-600)分别测量消光比和功率。保偏光纤工作面有快慢轴之分，而保偏隔离器一般是慢轴工作器件，保偏光纤和保偏隔离器构成检偏器结构。当旋转掺铒相移光纤光栅时，随着激光偏振方向与保偏光纤慢轴夹角的改变，输出端激光功率和偏振消光比都会变化。只有当激光偏振方向与保偏光纤慢轴方向一致时，激光输出功率最大且偏振消光比最稳定，此时激光输出偏振态为稳定的线偏振模。

图1 DFB-FL基本结构图和激光偏振模式耦合原理图Fig.1 Basic structure of DFB-FL and schematic of laser polarization mode coupling

2 实验分析与讨论

制作一支单偏振DFB-FL作为样品进行实验分析，采用EXFO AP2040高精度光谱仪测量其激光光谱，如图2(a)所示。同时，为了说明利用该光谱仪0.16 pm分辨率，能够准确区分激光是否具有单偏振模式。制作了一支双偏振模DFB-FL进行对比，其激光光谱如图2(b)所示，偏振模波长间隔约12 pm。一般情况下，对光纤侧面曝光导致的光栅极化折射率差一般在10-5量级[14]，对应可能出现的激光双偏振模的波长差在10～20 pm范围，实验结果与之吻合。

图2 DFB-FL光谱

在用保偏熔接机达到保偏光纤和样品激光器掺铒相移光纤光栅处于包层对齐状态后，按照图1(b)所示方法，保持保偏光纤不动，调节掺铒相移光纤光栅的轴向角度，同时开启泵浦光测量后向激光功率和偏振消光比。控制掺铒相移光纤光栅侧夹具转动，每转动10°记录激光功率和偏振消光比变化，分别如图3和图4所示。可以看出，随着角度变化，在180°范围内仅出现一次功率和偏振消光比最大值。当夹具转动到-30°～-40°左右的位置时，耦合输出的激光功率和偏振消光比分别达到了最大值，可以认为此时激光偏振方向基本与保偏光纤慢轴一致。虽然由于掺铒相移光纤光栅处于熔接机夹具的夹持状态，会影响激光的腔损耗和偏振方向，但经过多次实验验证，此偏振模式耦合方法仍然是有效的。

图3 激光输出功率随转动角度变化 Fig.3 Curve of laser output power with the rotation angle

图4 激光偏振消光比随转动角度变化Fig.4 Curve of PER with the rotation angle

进一步精细调整优化两侧光纤轴向角度，使输出功率保证在最高水平。保持光纤对准状态放电熔接，则构成了保偏光纤耦合输出的DFB-FL。利用Agilent N7788B偏振分析仪测量激光偏振态如图5所示。可以看出，此时激光偏振度为1，为完全偏振光，且代表激光偏振态的点在邦加球的赤道上，激光偏振态为稳定的线偏振光。同时，测量其偏振消光比大于30 dB，弯曲扭转光纤时数值基本不变。

图5 保偏DFB-FL的激光偏振态Fig.5 Laser polarization state of the polarization-maintaining DFB-FL

另外，分别测量记录了单模尾纤和保偏尾纤下DFB-FL的激光效率和线宽，对比情况如图6所示。由于偏振模式耦合中，保偏尾纤与掺铒光纤的模场失配度更高，造成熔接损耗更高，因此更换保偏尾纤后激光效率要低一些。利用自研的自零差法激光线宽测量装置[10,15]，分别测量同一DFB-FL两种输出尾纤的情况下激光线宽，如图6(b)所示，可以看出，更为重要的激光窄线宽特性得到了良好的保持。

图6 激光效率和线宽变化情况Fig.6 Variation in laser efficiency and line width

3 结论

DFB-FL是目前应用广泛的一种低噪声窄线宽光源，但受限于光纤材料和工艺，目前还不能直接刻写制作保偏输出的有源相移光纤光栅器件，限制了其在一些特殊方向的应用。本文提出的偏振模式耦合实现DFB-FL保偏输出的方案，采用常规的单模光纤DFB-FL作为窄线宽线偏振激光光源，而制作单偏振掺铒相移光纤光栅的技术已经很成熟。利用保偏熔接机实现保偏光纤光轴和激光偏振方向的耦合，将DFB-FL尾纤更换为保偏光纤，有效实现了窄线宽激光的保偏输出。经实验验证，激光偏振消光比达到30 dB以上，为稳定的线偏振光，同时激光线宽没有变化。这种保偏输出窄线宽激光器作为种子光源，可广泛地应用于对光源线宽和偏振均有较高要求的光纤传感、激光测量和相干探测等技术中。