基于SBS－NOLM 效应的线性腔多波长光纤激光器的研究

王 霏

(宜春学院，江西 宜春 336000)

多波长光纤激光器由于其结构紧凑、简单和低成本等优点吸引了大量研究人员的兴趣。在这些研究中，大部分采用掺铒光纤(erbium－doped fiber，EDF)作为增益介质，［1－3］但EDF 增益的均匀增宽特性会在光纤激光器的谐振腔内产生模式竞争，从而难以实现多波长激光的输出。为克服EDF 增益均匀增宽引起的模式竞争，研究人员采用液氮冷却［4］、频移［5］、非线性偏振旋转(nonlinear polarization rotation，NPR)［6，7］、非 线 性 光 学 环 形 镜(nonlinear optical loop mirror，NOLM)［8］、四波混频(four wave mixing，FWM)［9］和受 激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering，SBS)［10，11］等方法。由于液氮冷却使用起来很不方便，频移设备成本较高，NPR 和NOLM 稳定性差等缺点，近年来，利用光纤介质本身的非线性效应抑制EDF 中模式竞争的研究越来越多，其中SBS 由于其固定的波长间隔、窄线宽、低阈值和较好的稳定性尤为突出，而NOLM 可通过偏振控制器和四分之一波片的调节可有效的控制多波长光纤激光器输出波长的数量，并且通过调节四分之一波片或偏振控制器可使光纤激光器工作在锁模工作状态。本论文将SBS 与NOLM 两种非线性效应结合在线性腔结构中，以此构建多波长掺铒光纤激光器系统，获得波长间隔固定的窄线宽多波长激光信号输出，通过NOLM 结构中的偏振控制器或四分之一波片可方便控制输出波长的数量，而且还可以使光纤激光器获得超短脉冲序列输出。

1 多波长光纤激光器实验装置及工作原理

基于SBS 与NOLM 两种非线性效应结合的线性腔多波长掺铒光纤激光器的实验装置如图1 所示。一个窄线宽的可调激光光源(tunable laser source，TLS)通过10/90 耦合器的10%端口耦合进入光纤激光器系统，为系统提供布里渊泵浦光信号;波长为980nm 的激光二极管通过980/1550 波分复用器(Wavelength division multiplex，WDM)为EDF 提供泵浦光信号;环行器(Circulator)的1 端口和3 端口连接使进入其中的光信号再此反射回光纤激光器的谐振腔中，一段8m 长的EDF 为整个光纤激光器系统提供线性的增益作用，偏振控制器(polarization controller，PC)、3dB 耦合器、2km 的单模光纤和四分之一波片构成一个NOLM 反射镜。光谱仪连接NOLM 的透射输出端口监视此类多波长掺铒光纤激光器的输出。此多波长掺铒光纤激光器系统的工作原理是注入的窄线宽布里渊泵浦光信号经过EDF 放大后进入NOLM 中，由于NOLM 中存在较长的单模光纤，因此将产生第1 阶斯托克斯光信号。剩下的布里渊泵浦光信号与第1 阶斯托克斯信号光通过NOLM 的反射再次进入系统而得到放大，然后又一次进入NOLM 中产生第2 阶斯托克斯线，如此循环进行而产生多阶斯托克斯线，从而获得多波长激光信号的输出。系统中通过调节NOLM 的反射率不但可以控制连续状态下多波长的输出数量，还可以使系统进入脉冲输出状态。

图1 基于SBS－NOLM 多波长掺铒光纤激光器结构图

2 实验结论与分析

2.1 EDF 泵浦功率P EDF

首先使布里渊泵浦功率固定为PBP=5mW 及其波长λBP=1560nm，通过改变EDF 泵浦功率P EDF的大小研究多波长掺铒光纤激光器的输出波长数量的变化，其具体的输出光谱如图2 所示。图2(a)表示当EDF 泵浦功率PEDF=220mW 时，多波长掺铒光纤激光器具有5 条(具有4 阶斯托克斯线)多波长激光信号输出，各个波长之间的间隔约为0.08nm。增加EDF 泵浦功率，掺铒光纤激光器可获得的多波长输出数量相应地增加，但其波长间隔保持0.08nm 不变。当EDF 泵浦功率增加到P EDF=306mW，掺铒光纤激光器可输出8 条(具有7阶斯托克斯线)波长间隔约为0.08nm 的多波长激光信号，如图2 (b)所示。由图2 可以得到，随着EDF 泵浦功率的增加，掺铒光纤激光器输出的多波长数量逐渐增加。其主要形成原因是由于EDF 泵浦功率的增加，可使更多的Er3+吸收泵浦能量跃迁到激发态，布里渊泵浦信号及其产生的更多斯托克斯光信号获得足够的增益作用而超过光纤激光器的阈值获得输出。

图2 不同PEDF时的输出光谱图

2.2 布里渊泵浦功率P BP

图3 所示为保持EDF 泵浦功率PEDF=242mW，布里渊泵浦波长λBP=1560nm 这两个参数固定不变，改变布里渊泵浦功率PBP时，掺铒光纤激光器的输出波长数量的变化情况。从图中可以得到，当PBP=5mW 时，多波长光纤激光器可以输出6 条(具有5 阶斯托克斯线)多波长激光信号，如图3(a)所示。继续增加布里渊泵浦激光功率PBP=15mW，此时光纤激光器只有3 条(具有2 阶斯托克斯线)多波长激光信号的输出，如图3 (b)所示。从图中可以发现，在其他参数固定的情形下，随着布里渊泵浦功率的逐渐增加，掺铒光纤激光器输出的多波长数量将有所减少。这是因为较大的布里渊泵浦功率将消耗EDF 中更多的处于激发态的Er3+，而由于EDF 的泵浦功率保持不变，因此处于激发态的Er3+总数量是固定不变的，从而将导致高阶斯托克斯光信号获得的激发态Er3+数量减少。在这种情形下，高阶斯托克斯光信号由于低的增益效应而无法超过光纤激光器的输出阈值或单模光纤的布里渊阈值而获得输出，这样导致掺铒光纤激光器输出的多波长激光信号的数量减少。

图3 不同PBP的输出光谱图

2.3 NOLM 反射率

前面两种方法都是通过调节泵浦功率的大小控制掺铒光纤激光器输出的多波长数量。为使输出多波长的数量调节更加方便，下面研究通过调节NOLM 中的四分之一波片角度改变NOLM 的反射率，用以控制光纤激光器谐振腔的损耗，从而控制掺铒光纤激光器输出波长的数量，调节偏振控制器可取得相似的作用，本论文没有进行相关的研究，调节过程中保持偏振控制器固定即可。结合SBS效应的NOLM 的反射率可采用文献［12］中的计算公式对其进行计算，计算得到的反射率线如图4 所示。从图中可以得到，当四分之一波片的角度α =0.18π (实线)、α =0.21π (虚线)和α =0.24π(点划线)时，NOLM 的不但随着功率的增大而下降，而且随着角度的增大而降低，如图4 (a)所示。值得注意的是，此变化是在一定的四分之一波片角度范围内发生。但当四分之一波片增大到一定值，如图4 (b)所示的α=0.81π，此时NOLM 的反射率随着输入NOLM 功率的增加而增大。这两种情况可用来控制光纤激光器的输出状态，当反射率随着输入功率的增加而减少时，这种状态可方便的控制光纤激光器输出波长的数量(工作在连续输出状态);而当反射率随着输入功率增加而增大时，这种状态可以控制掺铒光纤激光器进入锁模状态，实现超短脉冲的输出。

图5 所示为掺铒光纤激光器在连续多波长输出工作状态［对应于图4 (a)］。调节四分之一波片角度使α=0.24π，此时掺铒光纤激光器输出4 个(具有3 阶斯托克斯线)波长的激光信号，如图5(a)所示;

减少四分之一波片角度α =0.18π，光纤激光器实现了6 条(具有5 阶斯托克斯线)多波长激光信号的输出，如图5 (b)所示。从图中可以得到，随着四分之一波片角度在一定范围内的减少，光纤激光器输出的波长数量逐渐增加。其形成原因是四分之一波片角度的减少，会使结合SBS 效应的NOLM 反射率增加，即通过NOLM 透射而损耗掉的能量减少，因此激光器整个谐振腔的损耗减少，激光器的输出阈值降低，从而致使掺铒光纤激光器输出的多波长数量增加。

如果进一步增加四分之一波片角度α 到较大的角度，NOLM 的反射率随着输入光信号功率的增加而增加［对应于图4 (b)］，此时掺铒光纤激光器进入到锁模工作状态。图6 (a)为输出脉冲序列，其中一个脉冲如图6 (b)所示，这是采用示波器测量的脉冲形状，如需获得脉冲较为准确的脉宽需要使用自相关仪进行测量。

图4 SBS－NOLM 反射率

图5 不同α 的输出光谱图

图6 锁模状态输出脉冲

3 结论

论文通过结合SBS 与NOLM 非线性效应构建线性腔结构的多波长掺铒光纤激光器，实验研究了这种光纤激光器的输出特性。实验结果表明增加EDF 泵浦功率可使光纤激光器输出的多波长数量明显增加，或者一定范围内减少布里渊泵浦功率，多波长掺铒光纤激光器输出的波长数量也明显增加。此外，通过调节四分之一波片角度可方便的调节此类多波长光纤激光器输出波长的数量，并在一定的角度下可使该光纤激光器进入锁模状态，获得超短脉冲光信号的输出。

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