用于光纤传感网的窄线宽多波长光纤光源研究

王肇颖，胡苗苗，葛春风，贾东方，桑 梅，杨天新，刘铁根

窄线宽多波长光纤光源在光纤传感领域的应用越来越引起人们的重视．与现在光纤传感系统中常用的扫频光源相比，多波长光源在多路复用光纤传感网络中可同时提供光纤光栅传感阵列所需要的多个不同工作波长[1]．此外，多波长光源输出的N个波长将光谱扫频范围分成了N−1段，在同样扫频精度下，扫描整段光谱的频率提高到传统单一波长扫描时的N−1倍．因此它有望与现有扫频光源形成有力竞争，应用于光纤传感网络．在光纤传感的实际应用中，需要低成本、常温稳定工作、窄线宽、输出功率平坦、波长可调谐的多波长光纤光源．目前，多波长光源按增益介质主要分为：多波长掺铒光纤光源、多波长拉曼光纤光源以及基于半导体光放大器的多波长光纤光源．由于铒光纤在室温下均匀展宽超过10,nm，很难产生稳定的多波长输出，需要采用低温冷却铒光纤[2-3]、移频或相位调制[4-5]等复杂技术抑制掺铒光纤激光腔内的模式竞争；拉曼光纤光源需要很高的泵浦能量[6-8]，造价昂贵；半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)的室温均匀展宽仅有 0.6,nm[9]，以它为增益介质的多波长光纤光源不需要光抽运、易得到稳定的多纵模振荡，且SOA商品性能成熟、价格低廉，因此具有极大的研究潜力[10-12]．但使其适用于光纤传感网络，还需进一步提高多波长光源的输出功率平坦度并窄化线宽，以保证多路复用传感器阵列系统的效率和精度．

笔者数值模拟了不同SOA驱动电流下多波长光源的稳态输出结果，并分析了未泵浦掺铒光纤(erbium-doped fiber，EDF)长度对输出线宽的影响；实验构建了带有单程反馈和线宽窄化机制的多波长光纤激光器；对光源的功率谱平坦、线宽窄化、稳定性和可调谐性进行了研究．

1 理论分析

利用SOA分段模型对多波长光纤光源的稳态输出结果进行了数值模拟，如图1所示．

由图1可知，随着SOA注入电流的增大，SOA的增益增加，从而使激光器输出的多波长数量和功率随之增大．同时，由于激光腔内增益饱和效应，激光器光源输出的多波长的中心位置向长波方向移动．因此，可充分利用激光器稳态工作时SOA处于饱和状态这一特点，采用单程反馈机制实现功率谱平坦化．即利用一定的反馈装置，将激光器输出的光反馈回SOA，当SOA工作在饱和状态时，反馈信号中的强激光谱线使SOA在该波长处饱和程度更深，弱激光谱线使SOA的饱和程度浅，从而使激光腔内振荡的强激光谱线得到的增益低而弱激光谱线的增益相对较高，实现在整个输出带宽内各个波长的功率均匀．

图1 稳态时多波长光纤光源的输出功率随电流的变化趋势Fig.1 Stable output power of multi-wavelength fiber source with different injection currents of SOA

激光器的线宽窄化机制由未泵浦EDF中驻波形成的等效光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)实现，等效FBG反射谱半高全宽[12]与EDF长度的关系式为

式中：Δn为诱导折射率变化量；Lg为EDF长度；λ为输入光波长；neff为EDF的等效折射率． 根据拟选用的实验器件数据，数值模拟得到光源输出激光线宽与波长和EDF长度的关系，如图2所示．

图2 多波长光源输出线宽与波长、EDF长度的关系Fig.2 Variation of linewidth of multi-wavelength fiber source with wavelength and the length of EDF

从图2中可以看出，当EDF的长度在0.3,m时，线宽压缩比达到最高，单纵模状态下可以将线宽压窄至 MHz量级，超过一定长度后，压缩比呈现出饱和趋势，压缩效果不再显著提高，过长的未泵浦EDF还会给激光器带来不必要的损耗．从图 2中还可看出，EDF的长度一定时，在 1,550,nm～1,650,nm 范围内各个波长线宽之间的差别很小，能起到对多波长均衡窄化线宽的效果．

2 实验装置

图3为窄线宽多波长光纤光源实验结构示意，它采用2个级联的SOA作为增益介质，当注入电流为250,mA时，SOA1和SOA2的峰值增益波长分别为1,540,nm和1,520,nm，3,dB增益带宽分别为60,nm和67,nm；利用高双折射光纤环形镜(Hi-Bi FLM)作为一级滤波器进行波长选择，Hi-Bi光纤长度 5.9,m，滤波间隔为 0.8,nm[13]；(A)为未泵浦EDF和 3,dB耦合器构成的非线性光纤环形镜，它作为二级滤波器实现激光线宽窄化，(B)为单程反馈机制，它利用法拉第旋转镜(Faraday rotator mirror，FRM)反馈部分能量给SOA2使之形成增益饱和，均衡激光器输出的功率谱．该多波长光源的实验装置实物照片如图4所示．

图3 窄线宽多波长光纤光源实验结构示意Fig.3 Experimental structure of narrow linewidth multiwavelength optical fiber source

图4 窄线宽多波长光纤光源的实验装置实物照片Fig.4 Picture of the experiment device of narrow linewidth multi-wavelength optical fiber source

3 实验结果分析

3.1 单程反馈机制对输出结果的影响

当图 3所示的实验装置不含线宽窄化机制(A)和单程反馈机制(B)，SOA1和SOA2的注入电流均为250,mA时，得到的多波长结果送入Ando的AQ-6315A光谱分析仪进行测量和分析，其多波长光纤光源的输出结果如图5(a)所示．在相同注入电流下加入单程反馈机制(B)后，其多波长输出结果如图5(b)所示．

比较图 5(a)和(b)可以发现，未加单程反馈机制时，该光纤光源输出功率谱不平坦度＜±4,dB时仅有 21个波长输出；加入单程反馈机制后，功率谱不平坦度＜±3,dB时有27个多波长输出，输出功率谱的平坦度和多波长个数均显著改善．

为了考察该多波长激光输出的稳定性，对这一组多波长进行了 8次间隔 30,min的重复扫描．为便于观测，在图6中给出了6个波长的重复扫描结果，并在光谱仪最高分辨率 0.05,nm的精度下分别测量每次扫描时各波长的中心位置，未见波长的显著抖动．

图5 多波长光纤光源的输出结果Fig.5 Output results of the narrow linewidth multiwavelength fiber source

图6 窄线宽多波长光纤光源输出的间隔扫描结果Fig.6 Stability figure of the narrow linewidth multiwavelength fiber source

3.2 线宽窄化机制对输出结果的影响

在实验结构中加入线宽窄化机制(A)，当 SOA1和SOA2的注入电流均为250,mA，EDF的长度分别为 1.0,m、1.5,m、2.0,m 时，窄线宽多波长光纤光源输出谱线的3,dB线宽如图7所示．

未加线宽窄化机制时，输出激光线宽为 0.2,nm；加入1.0,m、1.5,m、2.0,m的未泵浦EDF后，相应的输出激光线宽窄化为 0.15,nm、0.12,nm、0.06,nm．由此可见线宽窄化效果比较明显，但比数值模拟的结果偏大，这是由于一级滤波器的滤波谱线为正弦透过率，透过率线宽远大于 EDF形成的等效光栅的线宽，因此输出的每个激光波长实际包含了多个EDF等效光栅的透过谱线，如果选用较窄线宽的一级滤波器将得到更好的结果．

图7 窄线宽多波长光纤光源的线宽测量结果Fig.7 Experimental results of the 3 dB linewidth of the multi-wavelength fiber source

图 8(a)给出了 EDF为 2.0,m时，滤波器滤出了中心波长 1,538.654,nm的单波长光谱，其3,dB线宽为0.06,nm．图8(b)显示了每30,min扫描1次，共扫描8次的光谱扫描结果．

图8 带有线宽窄化机制的多波长光纤光源经过滤波器选波的输出结果Fig.8 Output results of one channel from the narrow linewidth multi-wavelength fiber source

3.3 激光腔不同输出耦合比对输出结果的影响

为了进一步提高输出多波长的功率平坦度，对激光腔输出耦合比对输出结果的影响进行了实验研究．图 9所示为输出耦合比分别为 75∶25、60∶40、50∶50的输出结果．

从图中可知，随着输出耦合比的增加，输出功率更加均衡，但激光腔内的能量逐渐降低，获得的多波长数目减少．当耦合比为 50∶50时，激光器输出的15个多波长不平坦度小于±1.5,dB．因此，激光腔输出耦合比的选择要综合权衡波长数目和功率平坦度2个因素．

图9 不同激光腔输出耦合比时，获得的多波长结果Fig.9 Output results of the narrow linewidth multi-wavelength fiber source with different coupling ratios

3.4 多波长光源的可调谐性初步研究

实验中通过连续手动调节 Hi-Bi,FLM 中的 PC3的角度，还可以实现这一组输出波长的整体连续调谐，最大的调谐范围为 50,GHz，如图 10所示．但是全光纤结构的 PC只能靠调节各光纤环之间的相对角度实现偏振控制，调谐精度难以保证．因此为了更好地满足光纤传感系统的应用，笔者拟对多波长进行精密的腔外电调谐，目前有关实验正在进行中．

图10 多波长光源的整体调谐结果Fig.10 Tunable results of the multi-wavelength fiber source

4 结 语

本文分析模拟了多波长光纤光源的稳态输出结果，实验构建了一种带有单程反馈和线宽窄化机制的窄线宽多波长光纤光源，测量和分析了这2种机制以及不同输出耦合比对多波长功率谱平坦性和线宽的影响．实验实现光源输出功率谱不平坦度＜±3,dB时，多波长个数可达 27个，3,dB线宽约 0.06,nm，并初步实现波长在 50,GHz范围内整体连续可调．该光源再结合上高精度的电调谐手段，即可为光纤传感网提供高效的扫频光源，更好地应用于光纤传感网络．

［1］ 任文华. 智能光纤传感网络中关键器件的研制和应用[D]. 北京：北京交通大学电子信息工程学院，2009.

Ren Wenhua. Development and Application of Key Device in Intelligent Optical Fiber Sensor Network[D].Beijing：School of Electronics and Information Engineering，Beijing Jiaotong University，2009(in Chinese).

［2］ Yamashita S，Hotate K. Multiwavelength erbium-doped fiber laser using intracavity etalon and cooled by liquid nitrogen[J]. Electronics Letters，1996，32(14)：1298-1299.

［3］ Park N，Wysocki P F. 24-line multiwavelength operation of erbium-doped fiber ring laser[J]. IEEE Photonics Technology Letters，1996，8(11)：1459-1461.

［4］ Bellemare A. Room temperature multi-frequency erbiumdoped fiber lasers anchored on the ITU frequency grid[J]. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology，2000，18(6)：825.

［5］ Yao Jian，Yao Jianping，Deng Zhichao，et al. Multiwavelength erbium-doped fiber ring laser incorporating an SOA-based phase modulator [J]. IEEE Photonics Technology Letters，2005，17(4)：756-758.

［6］ Qin Shan，Chen Daru. A simplified model of multiwavelength fibre lasers based in hybrid fibre Raman and erbium fiber amplifications[C]// OFC. Shanghai，China，2007：406-408.

［7］ De Matos C J S，Chestnut D A，Reeves-Hall P C，et al. Multi-wavelength continuous wave fiber Raman ring laser operating at 1.55,µm[J]. Electronics Letters，2001，37(13)：825-826.

［8］ Min Bumki，Kim Pilhan，Park Namkyoo. Flat amplitude equal spacing 798-channel Rayleigh-assisted Brillouin/Raman multiwavelength comb generation in dispersion compensating fiber[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2001，13(12)：1352-1354.

［9］ Zhang Kang，Kang Jin U. C-band wavelength-swept single-longitudinal-mode erbium-doped fiber laser[J].Optics Express，2008，16(18)：14173-14179.

［10］ Moon Dae Seung，Kim Bok Hyeon，Lin Aoxing，et al.Tunable multi-wavelength SOA fiber laser based on a Sagnac loop mirror using an elliptical core side-hole fiber[J]. Optics Express，2007，15(13)：8371-8376.

［11］ Chen Z，Ma S，Dutta N K. Multiwavelength fiber ring laser based on a semiconductor and fiber gain medium[J]. Optics Express，2009，17(3)：1234-1239.

［12］ Liu X S，Zhan L，Hu X，et al. Multiwavelength erbium-doped fiber laser based on nonlinear polarization rotation assisted by four-wave-mixing[J]. Optics Communications，2009，282(14)：2913-2916.

［13］ Wang Zhaoying，Hu Zhiyong，Ge Chunfeng，et al.Tunable multi-wavelength fiber ring laser based on semiconductor optical amplifier[J]. Chinese Optics Letters，2004，2(9)：531-533.