基于布拉格光栅的多波长掺饵光纤激光器实验研究

向红丽, 李 云

(1.西安邮电大学 研究生院， 陕西 西安 710121; 2.西安邮电大学 理学院， 陕西 西安 710121)

多波长光纤激光器因其具有多波长输出、低成本、光束质量好、波长间隔可调等优点，在高速的密集波分复用通信系统[1]、光纤传感系统[2]、光谱分析[3]、激光雷达以及光纤仪器测试等方面得到了广泛应用。掺铒光纤(Erbium-doped fiber laser，EDF)激光器的辐射波段正好位于常用的1550nm通信波段，具有很高的增益和抽运效率，使其成为了光纤通信系统的重要光源而得到广泛的应用[4-5]。但是，EDF的增益均匀展宽特性带来的模式竞争，使得激光器难以实现稳定的多波长激光运转，为此，人们引入了各种机制以改变均匀展宽。液氮冷却下能降低掺铒光纤的均匀加宽线宽获得多波长输出[6]，然而，这种方法的低温要求在很多应用中受到限制；使用非线性偏振旋转型光纤激光器中非线性损耗引起的峰值限制效应可以有效地抑制激光器的模式竞争[7]，却要求激光腔内具有较高的功率水平，激光腔长度比较长；也可以利用光子晶体光纤的非线性四波混频效应[8-9]，但光子晶体光纤本身造价昂贵一定程度限制了其应用。本文利用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)极好的窄带滤波特性，分别将相位掩模法和点对点法制成的FBG及两者串接作为选频器件，搭建多波长光纤激光器系统，实验实现了室温下光纤激光器的多波长输出，并对激光器输出特性作了研究与分析。

1 基本原理

1.1 EDF特性

EDF是在光纤的纤芯中掺入铒元素，由于EDF是石英晶体并且晶格具有高度对称性，晶格中每一个激活离子周围的晶格场都相同，离子的能级分裂以及能级的宽度也都相同，因此，EDF在室温下是均匀展宽类型的增益介质。处于激发态上的每个铒离子(Er3+)对增益带宽内不同频率的增益都有贡献，当某一频率开始振荡时，增益曲线会整体下降，远离介质中心频率的模式就会逐渐的被抑制而不能振荡，直至激光腔中仅存在一个优势模振荡[10-11]。所以，利用EDF作为增益介质时，在室温下很难实现多波长激光的同时振荡，必须想办法改变其均匀展宽。

1.2 FBG的选频原理

FBG是指光纤经过处理，在纤芯轴向形成周期性折射率变化的光波导器件，其空间相位周期与光波长量级一致，FBG可看作是一个具有窄带宽的光纤集成反射镜或透射滤波器。结构和工作原理如图1所示。

对于光纤光栅型的光纤激光器，FBG起到了选择激光波长的作用[12-13]，根据布拉格条件，可得出输出的光波中心波长、线宽分别为

λB=2neffΛ

(1)

(2)

式中，λB表示自然状态下FBG的布拉格反射波长，neff表示光纤纤芯的有效折射率,Λ为光栅周期。s的大小和反射率的大小有关，N表示光栅栅格的数目。可以通过控制反射率、光栅栅格的数目、相对折射率差等条件，实现窄线宽激光的输出。

图1 FBG的结构和原理示意图

2 实验研究

2.1 激光器基本光路

实验采用的多波长光纤激光器结构如图2所示。

图2 多波长光纤激光器结构图

I是电流控制器，T是温度控制器，在该光路中，波长为980nm的半导体激光器作为能量输入和EDF的泵浦源，长度为20m的掺铒光纤作为增益介质。光经增益介质后，通过一个加有布拉格光栅FBG的环形器，对光进行滤波处理，然后经过耦合器CP，一部分光输出，另一部分光又作为泵浦能量通过一个波分复用器WDM重新输进激光器系统，整个环路可以看做一个激光谐振腔，系统中加入两个隔离器IS，使得光沿着顺时针进行传输，同时过滤不需要的波段。经过一系列的受激辐射放大和滤波处理，多波长光纤激光器最终将形成稳定的激光振荡。

2.2 实验及结果与分析

在实验中，980nm波长半导体激光器的激励源为温度激励和电流激励，温度保持恒温20℃(热敏电阻10kΩ)，电流激励可调谐范围为0～300mA，半导体激光器输出功率与激励电流的关系如图3所示，输出功率呈线性增长趋势。

图3 波长为980nm半导体激光器I-P关系图

下面将分别研究相位掩模法制成的少模光纤布拉格光栅(Few mode fiber Bragg grating，FM-FBG)，点对点刻写的FM-FBG和点对点与相位掩模刻写的FBG串联熔接(简称串接FBG)等3种情况下，光栅通过环形器接入如图2所示激光系统后，激光输出功率与输出谱的实验规律。

(1)相位掩模法制成的FM-FBG

将FM-FBG接入到如图2的多波长激光器系统后，激励电流I与多波长激光器输出功率P如图4所示。可以看出，激励电流阈值在292mA处，对应功率平均为114 W，波动幅度100 W，激光模式竞争剧烈，能量分配不均匀且不稳定。

图4 相位掩模法的I-P关系图

实验中测得多波长激光器输出光谱如图5所示。由图5(a)可知，激励电流I处于70～290mA范围，各种模式的激光强度均匀增长。由均匀展宽的增益饱和特性可知，该范围内并未达到竞争阈值，各个模式的光强一起增加且在各个模式强度分配比较均匀，强度最高的模式输出为25dB。因此，与图4对应结果分析可知，当能量较低时，激光输出比较稳定，竞争较弱，且强度较小。

图5(a) 多波长激光器输出谱

当激励电流I处于292～294mA范围，实验结果如图5(b)所示。可以看出，激光输出离中心频率较远的两个模式已经湮灭，易发生跳模。此时，离中心波长最近的只剩下一个高阶模式且强度相对很小，其大小仅为10dB左右。与此对应，一阶模式的激光强度达到了50dB，湮灭的模式归还了以前占有的激发态粒子数，导致线宽减小，平均功率增大，此时，低阶模将高阶模的能量据为己有。

图5(b) 多波长激光器输出谱图

当I>295mA时，激光器的输出功率趋于稳定。当I=298mA和I=300 mA时，对应的输出谱图如图5(c)所示。跳模过程不再发生，只剩两个模式在竞争。同时可见，中心频率处的低阶模线宽也相对变窄。这是因为中心频率处的激光模式光强一直在增强，而周围其他模式均被抑制，且距中心频率越远的模式，抑制效果越强，因此，能量基本稳定存在于主模，高阶模式能量越来越低。

图5(c) 多波长激光器输出谱图

(2)点对点刻写的FM-FBG

将FM-FBG接入到如图2所示的多波长激光器系统，激励电流I与多波长激光器输出功率P实验规律如图6所示。可见，激励电流阈值为190mA。当激励电流处于70～180mA范围内，输出功率缓慢均匀增加；当激励电流大于190mA时，输出功率增长斜率较大，但I-P关系图仍为线性增加。

实验中测得激励电流处于70～180mA范围内，多波长激光器输出光谱如图7(a)所示。从实验结果可以看出，两个输出谱的峰值随着电流同步增加，直到激励电流I=180mA时，强度约为30dB，线宽约为1nm。此阶段并未达到均匀展宽增益的阈值，未有模式被抑制。

图6 点对点的I-P关系图

当I处于190～300mA范围内，输出光谱实验结果如图7(b)所示。可见，在该区间内，两个激光模式处于竞争模式。靠近中心频率的左峰光强度越来越大，线宽越来越窄，右边的峰由于模式竞争，受到抑制，能量越来越低。当I=300mA时，左峰强度约为40dB，线宽逐渐变窄至1/3nm，右峰接近噪声，基本上已经湮灭，故忽略不计。

图7(a) 多波长激光器输出谱图

图7(b) 多波长激光器输出谱图

(3)点对点与相位掩模刻写的串接FBG

将串接FBG接入如图2所示的多波长激光系统，规定先接入掩模为正接，先接点对点为反接。

①在正接情况下，激励电流I与多波长激光器输出功率实验规律如图8所示。可见，情况与(1)类似，激励电流阈值为292mA。当激励电流低于阈值292mA时，此阶段未达到均匀展宽增益的阈值，没有模式被抑制，点对点与相位掩模的输出谱的各个模式强度均匀增加。

当激励电流处于290～295mA范围内，如图8所示，由于跳模的产生，功率很不稳定。当I=292 mA时，平均功率约为85 μW，功率波动范围约为100 μW。实验中测得输出谱如图9(a)所示，可看出其输出谱线不稳定，掩模峰值越来越高，且高阶模式变少变弱，点对点峰值相对越来越小。

图8 正接的I-P关系图

图9(a) 多波长激光器输出谱图

当激励电流处于295～300mA范围内，实验中测得输出谱如图9(b)所示。从图中可见，输出功率趋于稳定，但左右的峰值相对强度比越来越大，且线宽越来越窄。当I=300 mA时，左峰值强度大约为50dB，线宽1.8nm；右峰值强度大约为23dB，线宽约为0.5nm。

图9(b) 多波长激光器输出谱图

②在反接情况下，激励电流与多波长激光器实验输出功率如图10所示，情况与(2)类似，激励电流阈值为190mA处。

当激励电流低于阈值190 mA时，此阶段未达到均匀展宽增益的阈值，输出谱的各个模式强度均匀增加。

但是，当激励电流I≥190 mA时，出现了与正接情况完全不同的现象，其实验结果如图11所示。此时模式竞争较激烈，点对点的左峰峰值强度越来越大，而其他峰值均被抑制，当I=280 mA时，仅有一个峰，其他峰均消失。峰值强度达到40dB，线宽仅为0.18nm。

图10 反接的I-P关系图

图11 多波长激光器输出谱图

从以上实验结果可以发现，在正接情况下，由于光波先经过掩模FBG，此时其谱线较宽，且强度较高，中心频率为左侧的峰值处，整体谱线宽度较宽，故平均光强较小，各个模式的光强增加缓慢，达到增益饱和的电流比较高，因此降低了模式湮灭的速度。而反接情况下，点对点强度较大，故中心频率在点对点较高的峰值处，由于其线宽很窄，能量特别集中。在能量增加阶段，随着增益谱线的下降，各个模式光强逐渐增加，到达增益饱和时，离中心频率较远的模式迅速被抑制并逐渐湮灭。不难看出，激光能量越大的模式，竞争力也就越强。

3 结论

EDF具有较高的增益和抽运效率，但在室温下较难实现多波长激光的同时振荡特点。本文利用FBG良好的窄带滤波特性，分别将相位掩模法和点对点法制成的FBG及两者串接作为选频器件，设计并搭建以掺铒光纤作为增益介质的多波长光纤激光器系统，实验实现了室温下光纤激光器的多波长输出。进一步研究和分析了激光输出功率与输出谱线的实验特性，发现在模式竞争过程中，能量较高的激光模式最后总会成为胜者。并且，通过调整激励电流、光栅接入方式，可以控制多波长光纤激光器的输出特性。