基于无源双环复合子腔滤波器的可调谐单纵模掺铥光纤激光器

关 彪，延凤平*，冯 亭，杨丹丹，秦 齐，李 挺，于晨昊，王向东，姜有超，熊本和夫，索玉平

（1. 北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044；2. 河北大学物理科学与技术学院 光信息技术创新中心，河北 保定 071002；3. 大阪工业大学 电子信息系统工程学专业，日本 大阪 999001；4. 山西医科大学第五临床医学院 妇产科，山西 太原 030012）

1 引 言

掺 铥 光 纤 激 光 器（Thulium-doped fiber laser,TDFL）具有宽输出波段范围（1 850~2 100 nm）[1]、高斜率效率[2]、高输出功率[3]和高光束质量等特点，在多普勒激光雷达[4]、相干光束合成[5]、高精度光学测量系统[6]和引力波探测[7]等多个领域有重要的应用前景。可调谐的窄线宽单纵模（Singlelongitudinal-mode,SLM）TDFL 因其超长相干距离和低强度噪声等特征，得到了广泛关注。

稳定的SLM 输出可以通过采用简单的线性短腔扩大纵模间隔、消除多纵模振荡实现[8]。线性短腔结构包含分布布拉格反射和分布反馈两种。由于增益光纤长度限制，这两种激光器的输出功率通常很低。此外，线性短腔激光器受固有结构限制，无法实现宽光谱范围内的可调谐输出。除了线性短腔还可采用环形腔结构，通过在腔内加入具有模式选择功能的滤波器消除多纵模振荡和抑制模式竞争。其中包括超窄带滤波器，如基于可饱和吸收体的萨格纳克环[9]、相移光纤光栅[10]等。Cheng 等提出了一种稳定的SLM 光纤激光器，由均匀光纤布拉格光栅（Uniform fiber Bragg grating,UFBG）和基于FBG 的高精细Fabry-Perot 滤波器组成[11]。然而，仅使用光栅滤波器实现SLM 输出对其带宽要求较高，且制作工艺复杂，成本高。为了实现低成本、结构简单易操作的 SLM 激光器，Zhang 等提出并验证了一种基于微环谐振器的2µm 单频光纤激光器，能够获得瓦级激光输出[12]。Yin等提出一种利用饱和吸收体作为自追踪窄带滤波器的SLM 光纤激光器[13]。然而，这种光纤滤波器对环境干扰很敏感且系统灵活性较低。

此外，还可以在环形激光器腔内采用复合子腔滤波器实现SLM 振荡。这种方法可以避免驻波产生的空间烧孔效应。近年来，基于多个光纤耦合器（Optical couplers,OCs）组成的复合子腔滤波器的SLM 光纤激光器引起了广泛关注。它们结构简单，制造成本低[14-15]。游标效应[16]是通过周期性的错位将微小的差异进行放大，主要依靠谐振腔构造的类似的周期峰或谷来完成。基于游标效应，利用复合子腔滤波器可以扩大自由光谱范围（Free spectral range,FSR）。通过调整OC 的耦合比和相邻OC 之间连接的尾纤长度可以对滤波输出特性实现便捷操控。

本文提出并验证了基于UFBG 和双环复合子腔滤波器的可调谐SLM TDFL，根据理论分析得到了滤波器的3 dB 带宽和主谐振腔的有效FSR。该激光器的输出中心波长为2 048.69 nm，光信噪比（Optical signal-to-noise ratio，OSNR）高于71.82 dB。此外，UFBG 的窄带反射峰和双环复合子腔滤波器相结合有效抑制了激光器的跳模。实验结果表明，提出的激光器可以在SLM 状态下稳定工作，相对强度噪声（Relative intensity noise，RIN）为-127.81 dB/Hz。对激光线宽进行测量，在积分时间为0.001 s 时获得了7.719 6 kHz 的线宽值。双环复合子腔滤波器表现出优秀的模式选择特性，提出的激光器系统具有简单易操作、输出功率和频率稳定等特点，在高分辨率分子光谱学领域具有潜在应用价值。

2 实验装置和原理

图1（a）为搭建的基于无源复合子腔的SLM TDFL。5.8 m 长的掺铥光纤（Thulium-doped fiber laser,TDF）作为增益介质。考虑到铥离子对793 nm 激光的高吸收，通常选用该波段激光作为双包层掺铥光纤的泵浦源[17]。中心波长为793 nm 的泵浦光通过793/2 000 nm 光纤合束器的输入端口注入到激光器腔内。双包层增益光纤在793 nm 处的吸收系数为3 dB/m，纤芯/包层的数值孔径为0.15/0.46。实验测试结果表明5.8 m 长的TDF能够为提出的SLM TDFL 提供足够增益，在2 050 nm 处具有较高的转换效率且接近自发辐射谱的最高峰。环形器在腔内可以确保激光单向传输。作为波长选择器件的UFBG 被固定在微位移平台上，连接到环形器的2 端口。该UFBG 使用相位掩模法（掩模板的周期为1 423.7 nm）制作，由248 nm 的紫外准分子激光器直接写入到载氢后的单模光纤上。图1（b）为UFBG 的透射谱和反射谱。该光栅反射峰的中心波长位于2 048.69 nm，反射率为92.2%，3 dB 带宽为0.18 nm。双环复合子腔 滤波 器 由3 个2×2 OC 组 成，用 来 实现 纵 模 选择。激光从分光比为90∶10 的OC4的10%端口输出，光谱由 分辨率为0.05 nm 的 光 谱仪（Optical spectrum analyzer，OSA，AQ6375，Yokogawa）观测。使用带宽为12.5 GHz、阈值为3 mW 的PD（Photo⁃detector，PD，ET-5000F，EOT）对输出激光进行光电转换，并将输出的电信号传递到信号分析仪（N9020A, Keysight）上进行观测。利用光电探测器、信号分析仪、示波器（DP07104，Tektronix）对输出激光进行RIN 测量。

图1 （a）SLM TDFL 结构示意图。LD：半导体激光器；FC：光纤合束器；TDF：掺铥光纤；CIR：环形器；UFBG：均匀光纤布拉格光栅；OC：光纤耦合器。环1 由L1、L2和L4组成，环2 由L3组成。 （b）UFBG 的透射谱和反射谱。Fig.1 （a）Schematic diagram of the proposed fiber laser.LD: laser diode. FC: fiber combiner. TDF: thuliumdoped fiber. CIR: circulator. UFBG: uniform fiber Bragg grating. OC: optical coupler. Ring 1 was com⁃posed ofL1,L2andL4, and ring 2 was composed ofL3.（b）Transmission and reflection spectra of the UFBG.

为了实现SLM 运行，需要满足以下条件：第一，双环子腔滤波器的有效FSR（RFS）应大于0.5倍的UFBG 反射带宽，确保在UFBG 的反射带宽内只有一条双环复合子腔的有效带宽占优势；第二，滤波器的主通道带宽应该是主腔相邻纵模间距的1~2 倍[18]。如 图1（a）所 示，3 个2×2 OC 组成了一个双环子腔滤波器。3 个OC 在2 050 nm 波长下的耦合比均为50∶50。子环腔1 由L1、L2和L4组成，子环腔2 由L3组成，其中，L1~L4是耦合器的尾纤长度。子环腔1 和子环腔2 的长度分别为1.82 m 和1.8 m。由于两者之间的腔长差远小于单个子环腔腔长，可根据公式进行计算[19]：

其中c=3×108m/s 为真空中的光速，n=1.44 为有效折射率，ΔL为子环腔1 和子环腔2 的长度差，可得滤波器的有效FSR 为10.4 GHz。UFBG 的3 dB 带宽为0.18 nm，对应的频率范围为12.8 GHz。此时双环复合子腔滤波器的有效FSR 大于0.5 倍的UFBG 反射带宽，满足条件一。大于滤波器的有效FSR，满足选模条件。主环腔的长度为13.7 m，根据公式[16]：

可得对应的纵模间隔为15.2 MHz，其中L为主腔长度。滤波器的通带带宽可根据以下公式进行计算[20]：

其中L1+L2+L4表示复合子腔中最长的子环腔长度，这决定了复合子腔滤波器的最小通带带宽。此外，δ=ln（Ii/Io）表示光在子环腔1 中传输一周后的损耗，其中Ii和Io分别为输入和输出光强度。δ是单程损耗，~1.17。根据计算，滤波器的主通带3 dB 带宽为21.4 MHz，保证了在激光腔内只有单一纵模振荡。

3 结果与讨论

793 nm 的泵浦源输出功率被设置为1.6 W。图2（a）所示为泵浦功率达到1.6 W 时的激光输出光谱。由图2（a）可以看出，输出激光的中心波长为2 048.69 nm，OSNR 为71.82 dB。以5 min 的时间间隔记录激光光谱数据，可以看到1 h 内激光的输出功率和中心波长无明显波动。图2（b）为60 min 内记录的13 组数据的波长和功率波动曲线，最大波长波动为0.03 nm，最大功率波动为0.76 dB。结果表明，提出的TDFL 可以在60 min 的测量时间内稳定工作。

图2 （a）泵浦功率为1.6 W 时TDFL 的输出光谱，插图为60 min 内重复监测的光谱；（b）激光输出为2 048.69 nm 波长和功率波动。Fig.2 （a）The measured optical spectrum of the proposed TDFL with a pump power of 1.6 W. Inset is the spec⁃tra repeatedly monitored within 60 min. （b）Fluctua⁃tions of the wavelength and power at 2 048.69 nm.

输出激光的射频频谱如图3（a）所示。可以看出，在0~100 MHz 扫描范围内无明显拍频信号。对输出激光的频率特性进行连续1 h 的监测，结果表明单波长激光器在SLM 状态下运行良好。图3（b）、（c）分 别 为 输 出 激 光 在0~500 MHz 和0~1 GHz 范围内的射频频谱。为了进一步验证双环子腔滤波器的模式抑制特性，将其从激光器谐振腔中移除并用相同长度的单模光纤代替，扫描记录实验结果如图3（d）所示。在0~100 MHz 频谱范围内可以观测到明显的拍频信号，模式间隔为15.2 MHz，与公式（2）的计算结果吻合。此外，实验中还记录了移除双环子腔滤波器后激光器在0~1 GHz 间存在的大量拍频信号，如图3（e）所示。与图3（c）相对比，进一步验证了该滤波器卓越的SLM 选择能力。

图3 信号分析仪在0~100 MHz，RBW 为500 kHz（a），0~500 MHz（b），0~1 GHz（c）范围的拍频结果；腔内不含双环复合子腔滤波器时，0~100 MHz（d）和0~1 GHz（e）范围内的拍频结果。Fig.3 RF spectrum measured by the signal analyzer in the ranges of 0-100 MHz with an RBW of 500 kHz（a），0-500 MHz（b），and 0-1 GHz（c）. RF spectrum of the main cavity without the double-ring cavity filter in the ranges of 0-100 MHz（d）and 0-1 GHz（e）.

RIN 可以在频域上表征激光器的输出功率波动特性，是衡量激光器输出特性的重要指标。图4 为0~5 MHz 频 带 范 围 内 的RIN 谱，分 辨 率 带 宽（Resolution bandwidth，RBW）为10 kHz，频率超过0.5 MHz 时 该 激 光 器 的RIN 值 稳 定 在-127.81 MHz，满足干涉型光纤传感激光器的应用需求[21]。其中，插图给出的是测量范围0~500 kHz、RBW 为100 Hz 的测量结果。在26 kHz 处出现强度为-90 dB/Hz 的弛豫振荡峰，这是由泵浦功率波动、腔内损耗、机械振动、热扰动引起的[22]。此外，还监测到了部分由外部干扰引起的噪声峰。

图4 在0~5 MHz 频 率 范 围 内，RBW 为10 kHz 时 的RIN谱，插图为0~500 kHz 时RBW 为100 Hz 的RIN 谱。Fig.4 RIN spectrum of the laser within the frequency range of 0-5 MHz with a 10 kHz RBW. The inset shows the same measurement at 0-500 kHz using an RBW of 100 Hz.

激光线宽是SLM 光纤激光器的重要指标，采用基于3×3 OC 的非平衡迈克尔逊干涉仪对输出激光的频率噪声进行测量[23]。基于β-分割线原理计算了不同测量时间下的激光线宽，结果如图5所示[24]。不同积分时间（0.001，0.01，0.1，1 s）下的激光线宽分别为7.719 6，27.460 5，98.704 9，695.592 5 kHz。测量时间为0.001 s 时的激光线宽值为~7.719 6 kHz。随着测量时间增加，激光器线宽值逐渐增大，这是由环境振动或低频信号干扰产生的技术噪声引起的[25]。此外，泵浦长时间运行热效应累积会导致光纤温度过高，使激光器低频热噪声增加[26-27]。

图5 激光器的频率噪声功率谱密度以及不同积分时间下的线宽Fig.5 Frequency noise power spectral density of the pro⁃posed laser and the linewidth at different integration time

为了进一步研究激光的输出功率特性，在耦合器的10%输出端口使用功率计（Laserpoint）对输出功率进行测量。图6 为输出功率随泵浦功率增加的变化曲线。当泵浦功率超过阈值功率（1.6 W）时，输出功率呈现出线性变化趋势。对相同泵浦功率下的输出激光功率进行三次重复测量并计算出平均值。可以看出，输出功率未达到饱和，这表明输出功率可以随着泵浦功率的增加进一步提高。然而，泵浦功率的持续增加会对光学元件造成热损伤。因此，泵浦功率达到6 W 时便未再继续提高，此时输出功率为96.3 mW，平均斜率效率为1.71%。掺铥光纤和单模光纤熔接时由于尺寸不匹配引起的模场失配损耗以及滤波器中耦合器50∶50 的耦合比造成的损耗会使激光器的斜率效率降低。

图6 不同泵浦功率下激光器的输出功率变化Fig.6 Output power variation of the laser with different pump powers

使用不同技术作用于UFBG，可对其输出中心波长进行调谐。常见的技术手段有对光栅施加轴向应力[28]、对光栅施加微弯[29]、调节光栅的温度[30]、使用游标效应[31]等。相比于其他方法，对光栅上施加轴向应力操作简单，便于精准控制调谐范围。固定微位移平台的左侧旋钮，调节右侧旋钮使位移台向右侧移动，在水平方向上对光栅施加应力。图7 为2 048.45~2 053.55 nm 波段的激光输出光谱，连续调谐范围可达到5.1 nm。波长调谐范围内激光的OSNR >71.82 dB。然而，考虑到光栅裸纤的脆弱性和可重复使用性，不再对其继续增加应力。

图7 波长可调范围为∼5.1 nm 的激光器光谱Fig.7 The spectrum of the laser with a wavelength tunable range of ∼5.1 nm

将本文提出的SLM TDFL 与之前报道的窄线宽激光器进行比较，如表1 所示。由于2 050 nm 波 段 的 研 究 较 少，因 此 引 入 了1 940 nm 波 段的激光器进行比较。与文献[13]、[32-33]、[35-36]相比，输出激光的OSNR 较高。这可能是实验中采用了较高的泵浦功率所致。功率波动与文献[33]的波动相差不大，且低于文献[35-36]中的激光功率波动。在积分时间为0.001 s 下，获得的线宽低于文献[13]、[33]、[35]的线宽，这主要是由于滤波器具有良好的纵模选择特性。进一步调节微位移平台，获得了高于文献[33-34]的调谐范围。

表1 基于不同技术的单纵模掺铥光纤激光器参数比较Tab.1 Parameter comparison of SLM TDFL based on different techniques

4 结 论

本文提出一种基于双环复合子腔滤波器的SLM TDFL，谐振腔长为13.7 m，纵模间隔为15.2 MHz，有效保证了在双环子腔滤波器主通带带宽内实现激光SLM 运行。在泵浦功率为1.6 W 时，实现了稳定的高OSNR（>71.82 dB）单波长窄线宽激光输出。60 min 内，波长抖动和功率抖动分别小于0.03 nm 和0.76 dB。分别在0~100 MHz、0~500 MHz 和0~1 GHz 三个频率范围内对射频信号进行了频率扫描，未观测到明显的拍频信号。采用直接测量法得到的激光RIN 值为-127.81 dB/Hz。利用非平衡迈克尔逊干涉仪线宽测量系统对输出线宽进行表征，0.001 s 测量时间下的激光线宽为7.719 6 kHz。提出的SLM TDFL 作为放大系统的种子源在高分辨率分子光谱学、干涉型光纤传感等领域毫具有潜在的应用价值。

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