可用于产生微波信号的间隔可调双波长光纤激光器

徐雨萌，王国政，彭玲玲，刘昕男，寇艳强，吴柯鑫

引言

光纤无线通信ROF（radio over fiber）由于具有大容量、低损耗、低成本的特点，使其在超宽带无线接入技术方面具有巨大的应用前景［1］。光纤无线通信的关键技术之一就是微波的产生技术，微波信号因具有很低的相位噪声、超窄线宽、高稳定性、抗电磁干扰等优点，在ROF系统中具有至关重要的作用，是影响ROF系统性能的关键技术之一。随着光纤激光器的快速发展［2－3］，利用双波长输出的光纤激光器进行拍频实验成为近期研究的热点，随着光纤光栅工艺的快速发展［4－5］，产生微波信号的方法可利用布拉格光纤光栅对［6］、阵列波导光栅［7］和可调谐的窄线宽滤波器［8］等，其中基于受激布里渊散射效应产生的双波长光纤激光器由于其具有稳定的波长间隔，易于产生微波信号，成为目前研究的热点［9－10］。本文设计一种结构新颖的双波长布里渊光纤激光器，采用超窄线宽分布反馈激光器作为抽运源，利用未泵浦的保偏掺铒光纤作为饱和吸收体，实现了不同波长的间隔输出，从而有利于产生可调的微波信号。

1 实验结构与工作原理

双波长布里渊光纤激光器的实验结构如图1所示，腔中用一段长度为10km的普通单模光纤与一个2×2的3dB耦合器同侧端口1和2连接，组成一个布里渊增益环。环行器1的端口1作为布里渊抽运光（BP）输入端，经过环行器1的端口2和3dB耦合器的端口3进入布里渊增益环，环行器1的端口3作为输出端，连接光谱分析仪（OSA）进行观测。

图1 双波长布里渊光纤激光器结构Fig.1 Configuration of dual－wavelength Brillouin fiber laser

布里渊抽运光（BP）通过环行器的端口2进入3dB耦合器（端口3），BP被分为相同的两部分分别从耦合器的端口2和端口4出射，从端口4出射的光进入环行器2并通过一段5m长未泵浦的保偏掺铒光纤返回布里渊增益腔，从端口2出射的光逆时针进入10km长单模光纤，在单模光纤中产生与BP方向相反的斯托克斯光，反向传输的斯托克斯光经耦合器的端口1和端口3被分为相同的两部分，从耦合器端口1出射的光会再次进入10km长单模光纤同样会产生反向传输的斯托克斯光，产生的斯托克斯光分为相同的两部分分别从端口2和端口4输出，从端口2进入布里渊增益环的光会重复抽运光的过程，从端口4输出的光会经过环行器2和5m长未泵浦保偏掺铒光纤返回，并且一部分从环行器1的端口3输出，经端口3出射的光都成为输出光，而光源和偶数阶斯托克斯光会经过环行器2和5m长未泵浦的保偏掺铒光纤吸收，这样能量会减少很大一部分，从图2我们可以看出，抽运光被5m长未泵浦保偏掺铒光纤吸收了大部分能量，第2阶斯托克斯光的能量全部被吸收，我们通过调节偏振控制器（PC）使其刚好有第1阶和第3阶斯托克斯光输出，可获得间隔双倍输出的双波长布里渊光纤激光器。

2 实验结果与讨论

通过调节PC使刚好有第3阶斯托克斯光输出，由于抽运光和第2阶斯托克斯光的大部分能量被5m长未泵浦保偏掺铒光纤所吸收，从而实现由第1阶和第3阶斯托克斯光所组成的双波长布里渊光纤激光器，输出光谱如图2所示，采用光谱分析仪（AQ6370C）观测到第1阶斯托克斯光输出波长为1 550.212nm，第3阶斯托克斯光的输出波长为1 550.382nm，波长间隔为0.170nm，信噪比大于65dB。

图2 保偏光纤长为5m时双波长布里渊光纤激光器的输出光谱图Fig.2 Output spectrum of dual－wavelength Brillouin fiber laser with PM fiber of 5 m length

在30min时间内每隔5min记录一次双波长布里渊光纤激光器的输出光谱图，如图3所示。从图中可以看出，在30min测量时间内，双波长布里渊光纤激光器的输出十分稳定，没有较大幅度的变化。整个系统由于工作状态稳定，具有良好的应用性能。

图3 保偏光纤为5m时双波长布里渊光纤激光器的输出稳定性Fig.3 Stability of dual－wavelength Brillouin fiber laser with PM fiber of 5 m length

本文所有器件均为保偏器件，并可通过调节偏振控制器使输出的双波长信号保持一致的偏振态输出和尽量相同的信号强度，如图4所示，把输出的第1阶和第3阶斯托克斯光信号通过光电探测器进行光电转换，即可获得稳定的微波信号输出，从而可应用到ROF系统中。

图4 保偏光纤为5m时不同时刻输出双波长的功率变化情况Fig.4 Variation of power along time with PM fiber of 5 m length

图5 保偏光纤为3m时双波长布里渊光纤激光器的输出光谱图Fig.5 Output spectrem of dual－wavelength Brillouin fiber laser with PM fiber of 3 m length

图6 保偏光纤为3m时双波长布里渊光纤激光器的输出稳定性Fig.6 Stability of dual－wavelength Brillouin fiber laser output with PM fiber of 3 m length

3 结论

对实验作进一步分析，改变未泵浦保偏掺铒光纤的长度，从而未泵浦保偏掺铒光纤对信号光和偶数阶斯托克斯光的吸收作用会相应地有所变化，当使用3m长未泵浦的保偏掺铒光纤作为饱和吸收体时，未泵浦的掺铒光纤对信号光的能量吸收得以减少，从而实现由信号光和第一阶斯托克斯光组成的双波长输出，波长间隔为0.085nm实验结果如图5所示，双波长输出的稳定性如图6所示。

本文设计并实验了一种利用饱和吸收体对抽运光和第2阶斯托克斯光的吸收作用，实现由抽运光和第2阶斯托克斯光组成的双波长布里渊光纤激光器，通过调节PC实现稳定的双波长激光输出。实验选择3m长未泵浦的保偏掺铒光纤，使其对抽运光的能量吸收更少，通过调节PC，从而实现由抽运光和第1阶斯托克斯光所组成的双波长布里渊光纤激光器，综上所述，通过改变保偏掺铒光纤的长度，可实现间隔可调的双波长光纤激光器，有利于产生可调的微波信号输出。

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