基于石英玻璃掺铥光纤的单纵模DBR光纤激光器的研制

陈雨君, 姚波, 刘昊炜, 魏珊珊, 毛庆和∗

(1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026;2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所光子器件与材料安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031)

0 引 言

2µm 波段单纵模、窄线宽光纤激光器在高分辨光谱[1]、大气环境探测[2,3]、量子信息[4]以及非线性频率变换[5]等领域具有重要应用,其主要有分布反馈(DFB)[6,7]、分布布拉格反射(DBR)[8,9]以及环形腔[10,11]等基本结构。其中,DBR 型结构具有单纵模运转稳定、结构紧凑等优势,应用最为广泛[12]。早期,受石英玻璃单模掺铥光纤掺杂浓度低的限制,DBR 型2µm 波段单纵模光纤激光器中均采用双包层增益光纤[13,14],与DBR 腔中光纤Bragg 光栅(FBG)之间难以实现高效耦合,造成了泵浦阈值高、泵浦功率高、转换效率低等问题。为此,人们通过采用多组分玻璃光纤技术来提升单模掺铥光纤的掺杂浓度,进而使得允许采用单模掺铥光纤来构建2µm 波段DBR 单纵模光纤激光器,降低了对泵浦功率的要求,转换效率也获得了明显提升[15]。但是,多组分玻璃光纤存在与传统石英玻璃光纤熔接损耗大、熔接点机械强度差等不足,制约了多组分玻璃单模掺铥光纤激光器的实际应用。近年来,基于石英玻璃基质的单模掺铥光纤的掺杂浓度已得到了很大提高,793 nm 和1610 nm 泵浦带的吸收已分别可达27 dB/m 和16 dB/m[16],这使人们又重新采用这种石英玻璃单模掺铥光纤来构建2µm 波段DBR 单纵模光纤激光器。2021 年,Zhang 等[17]采用196 mW 的786 nm 半导体激光器泵浦,基于石英玻璃的单模掺铥光纤构建了1989 nm 处输出功率达13 mW 的DBR 单纵模光纤激光器。尽管如此,这类掺铥光纤激光器依然存在泵浦阈值偏高、泵浦效率偏低等缺点,特别是具有频率调谐功能的单纵模光纤激光器还未见报道。

本文报道了一种具有频率调谐功能的2µm 波段DBR 型单纵模光纤激光器。采用石英玻璃单模掺铥光纤和793 nm 半导体激光器泵浦源,通过两次封装和TEC 精密温控将所有光电器件集成在1U 标准机箱内,构成了激光器样机。该样机可通过内置压电陶瓷(PZT)实现对激光频率的快速调谐,还可通过TEC 精密温控实现对激光频率的大范围调谐,单纵模运转输出功率为18.2 mW,泵浦转换效率为27%。

1 激光器结构

图1(a)为所设计研制的2µm 波段DBR 型单纵模光纤激光器结构示意图。所用增益光纤为石英玻璃单模掺铥光纤(TDSF),其数值孔径、纤芯直径和吸收系数分别为0.24、5.5µm 和900 dB/m@793 nm。该TDSF 两端分别与具有不同反射特性的一对FBGs 相熔接,构成DBR 型光纤谐振腔。其中,高反射率FBG(HR-FBG)的中心波长、反射率、3 dB 带宽和栅区长度分别为1942.7 nm、99.9%、0.33 nm 和30 mm,由与增益光纤模场相匹配的石英单模光纤刻写而成;低反射率FBG(LR-FBG)由保偏单模匹配光纤刻写,用作激光耦合输出,其反射率、3 dB 带宽和栅区长度分别为70%、0.07 nm 和25 mm。由于双折射效应,该LR-FBG 快慢轴反射中心波长不同,通过将慢轴中心波长选择为1942.675 nm,使其处在HR-FBG反射带的边缘,就可使得LR-FBG 快轴反射波长处在HR-FBG 反射带之外,进而构建出线偏振DBR 光纤谐振腔[18]。基于这种光纤谐振腔特性,为了保证激光器的单纵模运转稳定并且输出功率尽可能地高,优化后的TDSF 长度为1.4 cm。该DBR 光纤激光器由带单模尾纤的最高输出功率为105 mW 的793 nm激光二极管(LD)经保偏波分复用器(PM-WDM)泵浦,产生的线偏振单纵模激光经1950 nm 保偏隔离器(PM-ISO)后输出,HR-FBG 尾部切割成斜8◦,以抑制寄生振荡、提高稳定性。为实现对单纵模激光的频率调谐功能,采用环氧树脂胶将压电陶瓷(PZT)粘接在增益光纤侧面,通过电控拉伸PZT,调节DBR 腔长,对激光频率进行快速调谐。同时,通过物理接触的导热封装将构成激光器的光纤及其器件固定在黄铜热沉盒中,再将黄铜盒二次封装在聚四氟乙烯(PTFE)绝热盒内[如图1(b)],这样,通过半导体制冷器(TEC)就可对二次封装盒内的黄铜热沉进行精密温控,进而实现对激光频率的大范围温度调谐。值得指出的是,这种二次封装技术和精密温度控制可有效抑制外部环境扰动对激光器单纵模运转的影响,有利于提升激光器的工作稳定性[19]。最后,采用光电分离封装方案,以减小电学模块产热和散热为准则,将激光器光学和电学部分集成在1U 标准机箱中,集成样机具备PZT 调谐端口以及控制温度、泵浦的通信端口,集成样机照片如图1(c)所示。

图1 (a)2µm DBR 单纵模光纤激光器结构示意图;(b)激光器PTFE 绝热封装实物照片;(c)激光器集成样机照片Fig.1 (a)Structure diagram of the 2µm DBR single-longitudinal-mode fiber laser;(b)Photo of laser packaged by PTFE;(c)Photo of the laser prototype

2 测试结果与讨论

采用两次封装的光纤激光器在辅以精密温控后测得的单纵模运转状态极其稳定。图2 为利用自由光谱范围为1.5 GHz、精细度为250 的F-P 扫描干涉仪(Thorlabs,SA200-18B)测得的激光器在25◦C 控制温度下输出单纵模激光特性。可见,激光器输出为单个纵模,并且,在提升泵浦功率或改变TEC 控制温度的过程中,激光器均能保持稳定的单纵模运转。不仅如此,实验测得输出的单纵模激光为线偏振激光,偏振度高达24 dB。

图2 利用F-P 扫描干涉仪测得的光纤激光器单纵模激光特性Fig.2 Single-longitudinal-mode laser characteristics of the fiber laser measured by F-P scanning interferometer

图3(a)为在25◦C 温度控制下测得的输出激光功率随泵浦功率的变化。可见,激光器的泵浦阈值低至38 mW,这得益于在激光器制作过程中,通过优化熔接参数有效降低了熔接点损耗,使得腔损耗也随之减小。当泵浦功率为105 mW 时,输出功率达18.2 mW,对应的泵浦转换效率约为27%,表明该激光器具有很高的泵浦转换效率。不仅如此,即使泵浦功率增加到可用的最大泵浦功率,输出激光功率仍未出现饱和,因此,若改用更大输出功率的泵浦源,单纵模激光输出功率还可进一步提升。图3(b)为利用光谱分析仪(Yokogawa,AQ6735)测得的输出单纵模激光光谱,其中心波长为1942.86 nm,光谱宽度约为0.05 nm(受限于光谱仪的分辨率),信噪比(SNR,RSN)大于60 dB。

图3 (a)输出激光功率随泵浦功率的变化趋势;(b)利用光谱分析仪测得的输出激光光谱,插图为光谱的局部放大图Fig.3 (a)Variation of laser output power with pump power;(b)Output laser spectrum measured by the optical spectrum analyzer,and the inset is a partial enlarged view of the spectrum

由于激光器采用了绝热封装,使得TEC 控制温度由25◦C 升高至50◦C 的过程中,激光中心波长可从1942.86 nm 无跳模地调谐至1943.22 nm,对应的中心频率调谐范围达29 GHz,图4 为测试结果。因此,本研究所采用的DBR 单纵模光纤激光器可以实现大范围的频率调谐。在25◦C 的TEC 控制温度下,通过改变施加在激光器内置PZT 上的电压还可以对激光频率进行快速调谐。图5(a)给出了当PZT 电压的频率为1 kHz、幅度为4 V 的三角波时,由F-P 扫描干涉仪(Thorlabs,SA210-12B)测量获得的激光频率调谐特性,可见激光频率在1.5 GHz 范围内可实现快速调谐。实验还发现,当PZT 电压调制幅度分别为8 V和16 V 时,频率调谐分别达3.1 GHz 和5.9 GHz,即频率调谐范围与PZT 调谐电压近似成线性关系,在1 kHz 调谐频率下,调谐系数约为375 MHz/V。图5(b)为当PZT 调制电压固定在16 V 时实测的激光频率改变量随调制频率的变化,可见,当调制频率小于1 kHz,频率调谐范围随调制频率增大保持6 GHz 不变;当调制频率大于1 kHz,由于调制速度较高,激光器腔长伸缩变化已无法完全响应,因此激光频率调谐范围开始缓慢下降,当调制频率为9 kHz 时,频率调谐范围降到最大调谐范围的一半,约为3 GHz,因此,基于PZT 的激光器频率快速调谐的带宽约为9 kHz。

图4 输出激光中心波长随TEC 控制温度的变化Fig.4 Variation of the center wavelength of output laser with the TEC control temperature

图5 (a)对PZT 施加调制频率为1 kHz、幅度为4 V 的三角波时利用F-P 扫描干涉仪测得的激光频率调谐特性;(b)对PZT 施加幅度为16 V 的三角波时实测的输出激光频率改变量随调制频率的变化Fig.5 (a)Laser frequency tuning characteristics measured by F-P scanning interferometer when the PZT is modulated by a triangular-wave with a frequency of 1 kHz and a voltage of 4 V;(b)Measured changes of laser frequency varies with modulation frequency when the PZT is modulated by a triangular-wave with a voltage of 16 V

3 结 论

基于石英玻璃单模掺铥光纤和793 nm 半导体激光泵浦源,研制了一种具有频率调谐功能的2µm 波段DBR 型单纵模光纤激光器,并将该激光器集成为1U 标准机箱的样机。通过采用二次绝热封装并辅以TEC 精密温控,使得该激光器具有优良的单纵模运转稳定性;通过内置PZT 实现了对激光频率的快速调谐,调谐范围和调谐带宽分别为6 GHz 和9 kHz;通过TEC 温度控制还实现了对激光频率的大范围无跳模调谐,调谐范围达29 GHz。此外,该激光器还具有泵浦阈值低、泵浦效率高以及输出激光信噪比高等特点,因此,有望应用于高分辨光谱、量子信息、非线性频率变换等领域。