间隔0.256 nm的多波长布里渊光纤激光器的实验研究

樊 冰，葛超群，周雪芳，李曾阳，周 豫

（杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州310018）

1 引 言

多波长布里渊激光器（MWBL）具有抽运功率低、效率高、容易实现、容易与光纤耦合等优点，被广泛用于光通信器件、微波光子学、精密光学和DWDM系统等领域中［1-3］。Cowle等在1996年就提出利用布里渊效应来进行MWBL的研究［4］，在此基础上，多波长布里渊掺铒光纤激光器（MWBEFL）得到了广泛的研究和发展［5-10］，多种不同结构和不同调谐范围的MWBEFL被提出。如文献［3］提出了使用四端口环行器及可调谐滤波器间隔为双倍布里渊频移的可调谐MWBEFL结构，实现了波长间隔为0.173 nm的多波长输出；文献［11］提出了一种将有源掺铒光纤放大器至于无源振荡腔外的短腔结构，得到了7阶波长间隔为0.088 nm的激光信号。文献［12］报道了一种具有可调谐特性的半开放腔多波长随机光纤激光器，利用单模光纤和环形结构组成半开放腔结构，通过改变布里渊抽运激光波长实现输出随机激光的可调谐性，多波长激光信号间隔0.088 nm。文献［13］设计了一种基于环形腔的双倍布里渊频移间隔的可调谐光纤激光器，多波长激光信号相邻间隔为20 GHz（0.16 nm）。

为进一步提高多波长光纤激光器的波长间隔，本文设计了一种基于四端口环行器和三端口环行器组成的三倍布里渊频移的可调谐多波长布里渊光纤激光器结构。该结构中使用两个三端口环行器构成的环形腔1产生一阶Stokes光，一个四端口环行器构成环形腔2，在环形腔2中可产生与入射的BP光相隔两倍Brillouin频移的Stokes光，从而得到波长间隔为三倍Brillouin频移即0.256 nm的多波长激光信号输出。

2 实验结构与工作原理

三倍布里渊频移的MWBEFL的实验结构如图1所示，由两个环形腔组成，环形腔1能产生单倍布里渊频移激光信号，环形腔2能产生双倍布里渊频移激光信号输出。两个腔内都设计了一段10 m长的EDF来提供线性增益以补偿腔内损耗，一段25 km长的SMF来提供非线性增益。WDM用于耦合980 nm泵浦激光和BP光进EDF中。腔1中的环行器2作为一个环形镜，将剩余的BP光反射回腔内。环行器1和环行器3用于控制信号光的传输方向。BP信号后端设置了一个前置放大是为了抑制自激振荡模式。

图1 三倍频移的MWBEFL结构Fig.1 Triple frequency-shifted MWBEFL structure

经放大后的BP光通过环行器1的端口1至端口2进入SMF1中，当BP功率超过SMF的布里渊阈值后则产生与BP光方向相反的一阶斯托克斯光BS1，BS1与BP光相比频率下移大约10 GHz，即相隔单倍布里渊频移。BS1经环行器1的端口2至端口3传输至Cir3的1端口，接着沿着端口2顺时针方向进入Cavity 2中，此时BS1功率超过SMF的布里渊阈值，则产生逆时针方向的二阶斯托克斯光BS2（BS2相对于BS1是单倍频布里渊频移），BS2通过Cir3的3端口进入EDFA放大后再次进入SMF2，若放大后的BS2功率超过布里渊阈值，则会产生顺时针方向的三阶斯托克斯光BS3，由于BS1在Cavity 2中经过两次受激布里渊散射后产生BS3，所以BS3相对于BS1是双倍布里渊频移，而相对于最初的BP光是三倍布里渊频移。BS3传输至Cir3的4端口进入3dB耦合器，一部分在OSA中显示，一部分进入Cavity 1作为泵浦光重复上面的过程，直至两个环腔内的总增益小于腔内的总损耗时，高阶的斯托克斯光不能产生。

3 实验结果与讨论

从图1可以看出，三倍频移的激光器由一个单倍频移腔和一个双倍频移腔构成，实验测试中首先分析了两个独立腔的输出特性。

第一步未接入Cavity 2即作为单倍布里渊频移激光器，将Cir1的端口3直接连到3 dB耦合器的输入端。实验测试中固定BP光，其功率和波长为3 dBm和1560 nm，980 nm泵浦光功率的扫描范围为0～27.78 dBm。实验发现当980 nm泵浦功率到达15.1 dBm时，可观察到BS1，相对于BP光有0.086 nm频移。继续增大980 nm泵浦功率，BS1光峰值功率增大，同时产生更高阶的Stokes光，结果如图2所示，共得到了15阶单倍频移Stokes光，波长范围为1560.4725～1561.7625 nm，其峰值功率稳定在-5.394 dBm。

图2 未接入Cavity 2，固定980 nm泵浦功率为27.78 dBm时Cavity 1的输出光谱Fig.2 Output spectrum of Cavity 1 when Cavity 2 is not connected and the fixed 980 nm pump power is 27.78 dBm

第二步研究双倍频移的环腔2输出特性。未接入Cavity 1，将Cir3的1端口接到EDFA的输出端。同样设定BP功率为3 dBm，扫描980 nm的泵浦光功率，实验过程中发现当980 nm泵浦功率为10 dBm产生一阶Stokes光，与BP波长间隔为0.164 nm，即双倍布里渊频移。继续增大980 nm泵浦光功率，当达到18.75 dBm时，有最多阶（17阶）Stokes光输出，如图3所示。其波长范围从 1560.4692～1563.3962 nm，峰值功率为-1.901 dBm。

图3 未接入Cavity 1，固定980nm泵浦功率为18.75dBm时Cavity 2的输出光谱Fig.3 Output spectrum of Cavity 2 when Cavity 1 is not connected and the fixed 980 nm pump power is 18.75 dBm

第三步研究三倍布里渊频移激光器，即将Cavity1和Cavity2同时接入，如图1所示。实验测试得到在BP为3 dBm，980 nm泵浦功率为27.78 dBm，有6阶三倍Stokes光输出，如图4所示。图中BP的波长为1560.4200 nm，得到的三倍频Stokes光波长依次为 1560.677 nm，1560.931 nm，1561.189 nm，1561.441 nm，1561.703 nm，1561.962 nm，1562，227 nm，其波长间隔约为0.256 nm。

图4 固定980nm泵浦功率为27.78dBm时的输出光谱Fig.4 Output spectrum with a fixed 980 nm pump power of 27.78 dBm

对比图2、图3和图4可以看出，在BP功率一定的情况下，三倍布里渊频移的MWL需要更高的980 nm泵浦光功率来得到一个最高Stokes阶数。980 nm泵浦功率为27.78 dBm，BP功率为3 dBm时，单倍频移、双倍频移、三倍频移的MWL输出光谱如图5所示。

图5 980nm泵浦功率27.78 dBm，BP功率3 dBm时的输出光谱Fig.5 Output spectrum with 980 nm pump power of 27.78 dBm and BP power of 3 dBm

图6 不同BP功率和980 nm泵浦功率对斯托克斯光个数的影响Fig.6 Effect of different BP power and 980nm pump power on the number of Stokes light

实验测试中发现BP功率和980 nm泵浦光功率均影响斯托克斯光个数，结果如图6所示。从图6可知，输出的阶数主要是由增益介质决定，在本实验中，激光腔中的线性增益和非线性增益。图6（a）讨论的是在980 nm光功率为27.78 dBm时，BP功率与输出的Stokes光个数之间的变化关系，BP功率在-0.56～14.65 dBm间变化。从图6（a）中可以看出：当BP功率增大时，输出的Stokes光个数却逐渐减少。因为BP功率太大时会使EDFA工作在深度饱和区，即EDFA的增益降低了，从而导致输出的Stokes光阶数减少。图6（b）讨论的是BP功率3 dBm时，980 nm泵浦功率与输出的Stokes光之间的变化关系。980 nm泵浦功率在24.77～27.78 dBm间变化，当980 nm泵浦功率增大时，输出的Stokes光个数却在逐渐增加，这是由于EDFA增益扩大导致了高的腔内循环功率，提高了布里渊增益效率。

3 结 论

基于单倍布里渊频移和双倍布里渊频移的两个环腔设计了一个波长间隔为0.256 nm的多波长布里渊掺铒光纤激光器，设计中有效利用EDFA增益来抑制自激发振荡模的影响。实验结果表明：当BP功率为3 dBm，980 nm泵浦光功率为27.78 dBm时，实现激光间隔为0.256 nm即30 GHz的6个波长输出。该激光器具有结构简单，实现方便等优点。若在此激光器的结构中设置滤波器，则可实现30 n GHz（n=1，2，…，6）的双波长光信号输出，通过高频PD拍频得到高频的微波信号。