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 增强出版

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 A tunable single-longitudinal-mode thulium-doped fiber laser enabled by a passive double-ring compound sub-cavity filter 1 first-author 关彪（1991－），男，山西兴县人，博士研究生，2014 年于北京交通大学获得硕士学位，主要从事光纤激光器、光纤传感器及其应用等方面的研究。E-mail： 15111008@bjtu.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005720&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005722&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005721&type= 25.10040474 25.10040283 关彪 （1991－），男，山西兴县人，博士研究生，2014 年于北京交通大学获得硕士学位，主要从事光纤激光器、光纤传感器及其应用等方面的研究。E-mail： 15111008@bjtu.edu.cn 15111008@bjtu.edu.cn 1 corresp E-mail： fpyan@bjtu. edu. cn； wlxyft@hbu. edu. cn E-mail： fpyan@bjtu. edu. cn； wlxyft@hbu. edu. cn 延凤平（1966－），男，山西兴县人，博士，教授，1996 年于北方交通大学获得博士学位，主要从事光纤激光器、光纤传感器、光纤通信、基于太赫兹超材料等方面的研究。E-mail： fpyan@bjtu.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005723&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005725&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005724&type= 23.70643806 28.42041016 延凤平 （1966－），男，山西兴县人，博士，教授，1996 年于北方交通大学获得博士学位，主要从事光纤激光器、光纤传感器、光纤通信、基于太赫兹超材料等方面的研究。E-mail： fpyan@bjtu.edu.cn fpyan@bjtu.edu.cn 2 corresp E-mail： fpyan@bjtu. edu. cn； wlxyft@hbu. edu. cn E-mail： fpyan@bjtu. edu. cn； wlxyft@hbu. edu. cn 冯亭（1986－），男，河北张家口人，博士，教授，2014 年于北京交通大学获得博士学位，主要从事光纤激光、光纤传感器及其应用等方面的研究。E-mail： wlxyft@hbu.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005726&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005728&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005727&type= 21.42533493 25.47070313 冯亭 （1986－），男，河北张家口人，博士，教授，2014 年于北京交通大学获得博士学位，主要从事光纤激光、光纤传感器及其应用等方面的研究。E-mail： wlxyft@hbu.edu.cn wlxyft@hbu.edu.cn 1 1 1 1 1 1 3 4 北京交通大学 电子信息工程学院，北京　100044 北京交通大学 电子信息工程学院，北京　100044 School of Electronic and Information Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China School of Electronic and Information Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China 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 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 Photonics Information Innovation Center， College of Physics Science ＆ Technology， Hebei University，Baoding 071002， China Photonics Information Innovation Center， College of Physics Science ＆ Technology， Hebei University，Baoding 071002， China 大阪工业大学 电子信息系统工程学专业，大阪　999001 大阪工业大学 电子信息系统工程学专业，大阪　999001 Department of Electronics， Information and Communication Engineering， Osaka Institute of Technology， Osaka， 999001， Japan Department of Electronics， Information and Communication Engineering， Osaka Institute of Technology， Osaka， 999001， Japan 山西医科大学第五临床医学院妇产科，太原　030012 山西医科大学第五临床医学院妇产科，太原　030012 The Fifth Clinical Medical College of Shanxi Medical University， Department of Gynecology and Obstetrics， Taiyuan， 030012， China The Fifth Clinical Medical College of Shanxi Medical University， Department of Gynecology and Obstetrics， Taiyuan， 030012， China 提出并实现了一种基于均匀光纤布拉格光栅（uniform fiber Bragg grating， UFBG）和双环复合子腔滤波器的可调谐单纵模掺铥光纤激光器。3 dB带宽为0.18 nm的UFBG作为波长选择器件，与可进行模式选择的双环复合子腔滤波器相结合，实现了单纵模激光输出。测得激光器的输出波长为2048.69 nm，光信噪比为71.82 dB。60分钟内的最大波长和功率波动分别为0.03 nm和0.76 dB。此外，激光器的相对强度噪声在>0.5 MHz时，低于-127.81 dB/Hz；采用基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪装置测得0.001 s时激光线宽为7.7196 kHz。通过调整微位移平台改变作用在均匀光栅上的应力，单纵模激光实现了5.1 nm可调谐输出。 A tunable single-longitudinal-mode thulium-doped fiber laser based on a uniform fiber Bragg grating（UFBG）and a double-ring compound sub-cavity filter is proposed and verified. A UFBG with a 0.18-nm reflection peak as wavelength-switchable element and a double-ring compound sub-cavity filter as the mode-selection mechanism are combined to realize the SLM laser. The wavelength of the laser was 2048.69 nm and the optical signal-to-noise ratio was 71.82 dB. The maximum wavelength and power fluctuations within 60 min are found to be 0.03 nm and 0.76 dB， respectively. Moreover， the relative intensity noise is below -127.81 dB/Hz above 0.5 MHz. The laser linewidth at 0.001 s was measured as 7.7196 kHz using an imbalanced Michelson interferometer composed of a 3 × 3 coupler. The lasing achieves a wide tunable range of 5.1 nm， which is obtained by tuning the micro-displacement platform to transform the strain on the UFBG. 光纤激光器 掺铥光纤 单纵模 双环复合子腔滤波器 fiber laser thulium-doped fiber single-longitudinal-mode double-ring compound sub-cavity filter 1　引　　言 1 掺铥光纤激光器（thulium-doped fiber laser, TDFL）具有宽输出波段范围（1850-2100nm） [ 1 1 ] 、高斜率效率 [ 2 2 ] 、高输出功率 [ 3 3 ] 和高光束质量等特点，在多普勒激光雷达 [ 4 4 ] 、相干光束合成 [ 5 5 ] 、高精度光学测量系统 [ 6 6 ] 和引力波探测 [ 7 7 ] 等多个领域有重要的应用前景。可调谐的窄线宽单纵模（single-longitudinal-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 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 9 ] ，相移光纤光栅 [ 10 10 ] 等。程等人提出了一种稳定的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 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，张等人提出并验证了一种基于微环谐振器的2 μm单频光纤激光器，能够获得瓦级激光输出 [ 12 12 ] 。尹等人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 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 14 - 15 15 14-15 ] 。游标效应 [ 16 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2048.69 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0.001s时获得了7.7196 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 1 图1 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，通常选用该波段的激光作为双包层掺铥光纤的泵浦源 [ 17 17 ] 。中心波长为793 nm的泵浦光通过793/2000 nm的光纤合束器的输入端口注到激光器腔内。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2050 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的单向传输。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是使用相位掩模法（掩模板的周期为1423.7 nm）制作的，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 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2048.69 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三个2×2 OC组成，用来实现纵模选择。激光从分光比为90:10 的OC 4 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（Photodetector，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。 Fig.1 1;2; 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 18 ] 。如 图1 图1 （a）所示，三个2×2 OC组成了一个双环子腔滤波器。三个OC在2050 nm波长下的耦合比均为50：50。子环腔1由 L 1 、 L 2 和 L 4 组成，子环腔2由 L 3 组成，其中， L 1 - L 4 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 19 ] ： <math display="block" id="M1"><mi>F</mi><mi>S</mi><mi>R</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005738&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005737&type= 22.94466591 3.47133350 其中 c =3×10 8 m/s为真空中的光速， n =1.44为有效折射率， <math id="M2"><mo>∆</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005739&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005702&type= 2.11666679 2.62466669 L 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 16 ] ： <math display="block" id="M3"><mi>F</mi><mi>S</mi><mi>R</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>n</mi><mi>L</mi><mo stretchy="false">)</mo></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005741&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005740&type= 20.48933220 3.47133350 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计算 [ 20 20 ] ： <math display="block" id="M4"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>v</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>c</mi><mi>δ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>π</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mrow><mi>L</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>L</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>L</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">4</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005704&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=42005703&type= 36.91466904 8.21266651 其中 L 1 + L 2 + L 4 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（ I i / I o ）表示光在子环腔1中传输一周后的损耗，其中 I i 和 I o 分别为输入和输出光强度。 δ 是单程损耗，约为~1.17。根据计算，滤波器的主通带3 dB带宽为21.4 MHz，这保证了在激光腔内只有单一纵模振荡。 3　结果与讨论 1 793 nm的泵浦源输出功率被设置为1.6 W。 图2 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 图2 （a）可以看出，输出激光的中心波长为2048.69 nm，OSNR为71.82 dB。以5分钟的时间间隔记录激光光谱数据，可以看到一个小时内激光的输出功率和中心波长无明显波动。 图2 图2 （b）为60分钟内记录的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分钟的测量时间内稳定工作。 1;2; 输出激光的射频频谱如 图3 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一小时的监测，结果表明单波长激光器在SLM状态下运行良好。 图3 图3 （b）和（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 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 式（2） 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 图3 （e）所示，与 图3 图3 （c）相对比，进一步验证了该滤波器卓越的SLM选择能力。 1,2,3,4; 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 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 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的驰豫振荡峰，这是由泵浦功率波动、腔内损耗、机械振动、热扰动引起的 [ 22 22 ] 。此外，还监测到了部分由外部干扰引起的噪声峰。 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 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 图5 所示 [ 24 24 ] 。不同积分时间（0.001、0.01、0.1和1s）下的激光线宽分别为7.7196、27.4605、98.7049和695.5925 kHz。测量时间为0.001 s时的激光线宽值为~7.7196 kHz。随着测量时间增加，激光器线宽值逐渐增加，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 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 26 - 27 27 26-27 ] 。 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 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。 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 28 ] ，对光栅施加微弯 [ 29 29 ] ，调节光栅的温度 [ 30 30 ] ，使用游标效应 [ 31 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 图7 为2048.45~2053.55 nm波段之间的激光输出光谱，可以看出，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。 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 表1 所示。由于2050 nm波段的研究较少，因此引入了1940 nm波段的激光器进行比较。与文献[ 13 13 ]，[ 32 32 - 33 33 32-33 ]，[ 35 35 - 36 36 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 33 ]的波动相差不大，且低于文献[ 35 35 - 36 36 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 13 ]，[ 33 33 ]，[ 35 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 33 - 34 34 33-34 ]的调谐范围。 Reference Wavelength/nm Maximal Power fluctuation OSNR Linewidth Tunable range ［ 13 13 ］ 1957.24 NA 60 dB 20 kHz NA ［ 32 32 ］ 1955 0.4 dB 55 dB NA 7 nm ［ 33 33 ］ 1923.44 0.7 dB 25 dB <9.1 MHz 2.7 nm ［ 34 34 ］ ~2050 0.56 dB 72.11 dB 9 kHz 4.13 nm ［ 35 35 ］ 1940.56 1.464 dB 55.8 dB 14.194 kHz NA ［ 36 36 ］ 2048.4 0.91 dB 35.6 dB 3.7 kHz NA This work 2048.69 0.76 dB 71.82 dB 7.7196 kHz 5.1 nm 4　结 论 1 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，0.001s测量时间下的激光线宽为7.7196 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有潜在的应用价值。 本文（补充文件及）专家审稿意见和作者回复内容下载地址： http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220 http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220 ***（20220***为文章稿号）. 参考文献 McComb T S ， Sudesh V ， Shah L ， et al . 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