级联光栅结合Sagnac环的可调谐光纤激光器

赵小丽, 张钰民， 庄 炜,， 宋言明， 骆 飞,,， 孟凡勇,,*

(1. 北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心， 北京 100016;2. 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院， 安徽 合肥 230009；3. 现代测控技术教育部重点实验室， 北京 100192;4. 北京信息科技大学 光电测试技术北京市重点实验室， 北京 100192)

1 引 言

多波长光纤激光器在遥感设备、光通信系统、微波以及THz波信号的产生、光纤传感、密集波分复用系统等方面具有巨大的应用潜力，吸引了许多国内外研究学者的目光[1-3]。其中，可调谐多波长光纤激光器以其波长可调谐的突出优点，成为了近年来的研究热点[4]。迄今为止，已经报道了多种方法实现多波长光纤激光器，如使用保偏光栅[5]、相移光栅[6]、啁啾光栅[7]、饱和吸收体[8]、光纤复合环滤波器结构[9]、马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪结构[10]、重叠光栅和啁啾光栅[11]等。

2008年，CHEN等[12]提出了一种基于线形腔结合光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)对的单纵模双波长光纤激光器，其中两个FBG的所有参数一致，通过调节施加于另一个光栅上的应力，使该光栅波长与FBG对的两个透射峰波长相匹配，得到了对应于FBG对中心波长的双波长激光输出，调节输出波长间隔需要改变FBG对之间的距离和反射率。2013年，CAO等[13]在环形腔掺铒光纤激光器的Sagnac环中插入中心波长不同的FBG对，调节偏振控制器(Polarization controller,PC)，得到室温下可开关双波长激光输出，但输出双波长激光仅可在两个FBG的中心波长处进行互相切换。2013年，ZOU等[14]使用双通M-Z干涉仪结合Sagnac环作为滤波器，调节PC实现了单-双波长可调谐光纤激光器。2015年,HUANG等[15]基于DFB(Distributed feedback,DFB)激光注入法，调节DFB激光器的运行温度，实现了双波长间隔可调的光纤激光输出,在运行温度为25 ℃时得到了双波长激光的同时振荡。2017年，YAN等[16]使用光纤拉锥法制作了基于声光效应的M-Z干涉仪，在环形腔光纤激光器中通过调节射频信号发生器的驱动功率，改变输出波长，实现了对双波长光纤激光器的快速调节。2018年，DING 等[17]使用Sagnac环结合两段以45 ℃角熔接的保偏光纤，形成干涉环，调节PC，实现了波长可调谐。然而这些方法存在结构复杂、成本较高或双波长间隔不可调以及调谐困难等问题。

本文提出了一种简单的线形腔结构，得到了单-双波长及波长间隔均可调谐的掺铒光纤激光器。基于Sagnac环结合级联FBG结构作为梳状滤波器，在谐振腔内形成干涉滤波和激光振荡。使用传输矩阵法研究了该结构的实验原理，仿真分析了Sagnac环臂长差以及PC旋转角度对输出光谱的影响，并通过实验验证了该结构的合理性和可行性。通过调节PC，在室温下得到了单-双波长可调谐的激光输出,输出单-双波长激光的波长范围约为1 555.644～1 556.112 nm，双波长间隔约为0.108～0.452 nm。和其他同类方法相比，具有结构简单、调谐方便，易于实现且滤波精细度较高的优点，可应用于密集波分复用以及全光通信系统等领域。

2 实验装置及原理

2.1 实验结构及原理分析

单-双波长可调谐的线形腔掺铒光纤激光器的实验结构如图1所示。使用峰值波长为976 nm的激光二极管(Laser diode,LD)作为泵浦光源，泵浦功率设置为110 mW，泵浦光通过980/1 550 nm的波分复用器(Wavelength division multiplexer,WDM)一端进入激光谐振腔，WDM另一端连接光纤全反镜作为谐振腔的高反射端。由一段5 m长的掺铒光纤(Erbium-doped fiber,EDF)提供增益，泵浦光在经过EDF放大后产生的自发辐射光通过3 dB耦合器进入Sagnac环结构，经过Sagnac环及级联FBG的复合干涉滤波作用以及PC对腔内双折射状态的调节后，通过耦合器一端输出光谱，并使用分辨率为0.02 nm的光谱仪(Optical spectrum analyzer,OSA)测量输出信号。

其中，Sagnac环结构是由一个2×2的3 dB耦合器(分光比为50∶50)、一个用于调节腔内增益和损耗的PC以及一个用于滤波的级联FBG组成。使用ASE光源对该Sagnac环结构的输出光谱进行测试，测试装置如图2所示。ASE光源发出的光通过耦合器进入Sagnac环，分别经过环内PC和级联FBG后由耦合器的一端输出，并使用OSA测量输出信号。其中，Sagnac环的两臂长度差ΔL=L1-L2=2 mm。级联FBG是由栅区长度相同(Lg1=Lg2=Lg3=5 mm)且间隔相等(L0=2.15 mm)的3个FBG组成，每个FBG刻制的参数相同，均由标准单模光纤(康宁SMF-28e)载氢后，再通过244 nm的氩离子激光器曝光均匀相位掩模板制作而成，掩模板的周期为1 075.860 nm，栅区长度为25 mm。为提高级联FBG的稳定性，将其置于温度为90 ℃的恒温箱内退火24 h，退火后级联FBG的光谱如图3所示。输出光谱由OSA(YOKOGAWA，AQ6370D)进行测量。

图1 基于Sagnac环结构光纤激光器的实验原理图

Fig.1 Experimental schematic of fiber laser based on Sagnac loop structure

图2 以ASE为光源的实验原理图

图3 级联FBG退火后的光谱图

对该激光器的工作原理进行分析：LD通过WDM注入抽运光抽运EDF，使EDF产生自发辐射，自发辐射光经过3 dB耦合器进入Sagnac环，满足级联FBG反射波长的光通过级联FBG后，由于臂长差的存在，返回到耦合器发生干涉，一部分光直接输出到OSA中，另一部分光作为正反馈继续在谐振腔内振荡，如此循环往复，当谐振腔内获得的增益大于损耗时，发射激光。

该结构实现输出激光单-双波长可调谐的原理为：调节Sagnac环内PC，将在该段光纤中引入应力双折射效应，有助于分开EDF中不同模式对应的偏振态，增强偏振烧孔效应，进而抑制了EDF增益的均匀展宽现象，使非均匀展宽明显增强，从而减小了不同模式之间的竞争，当仅有某一个模式获得的增益大于腔内损耗时，在该模式所对应的波长处出射激光；继续调节PC，当某两个模式获得的增益几乎相同且均大于腔内损耗时，在这两个模式对应的波长处同时获得双波长激光输出。并且通过仔细调节PC，还可实现双波长的等幅值输出。

以ASE为光源对该Sagnac环结构的传输特性进行分析，如图4所示。假设ASE光从耦合器端口1输入(端口2输入为0)，通过耦合器耦合后分别从端口3和4输出两束强度相同、传输方向相反的光，出射光分别经过PC和级联FBG传输一周后返回耦合器发生干涉，实现相干传输。从端口2输出的透射光谱进入OSA进行测量。

图4 Sagnac环结构示意图

基于耦合模理论[18]，使用传输矩阵法对上述Sagnac干涉仪结构的传输特性进行分析。分别将耦合器输出端口3和4到光栅之间的光纤长度表示为L1和L2。为简化分析，假设不考虑额外损耗，光在光纤中的传输模式为基模，且与光的偏振态无关。将光波通过耦合器端口i(i=1,2,3,4)的光场表示为Eit和Eia，下标t和a分别表示基于耦合器的入射光场和出射光场的方向。由于端口1为输入端，因此有

(1)

在Sagnac环中，当光通过耦合器时的传输矩阵为

(2)

其中k为耦合器的耦合系数，当使用3 dB耦合器时k=0.5，则光波正向经过耦合器时的传输矩阵为

(3)

(4)

当传输光经过PC时，由于其在光纤中引入的应力双折射效应，使传输光波的偏振方向随PC 状态的变化而改变，假设PC的旋转角度为θ，则正向传输的光(顺时针方向)经过PC的传输矩阵为

(5)

(6)

实验中所使用的级联光栅为3个均匀Bragg光栅相级联而成，因此，每个FBG的传输矩阵相同且均可表示为[19-20]:

(7)

光在长度为Li的标准单模光纤中传输时，其传输矩阵可表示为

(8)

式中，Li(i=0,1,2)表示光纤的长度，其中L0表示FBG之间的间隔，L1(2)表示Sagnac环两臂上光纤的长度，β=2πneff/λ为光波在光纤中的模式传播常数，λ是光纤中所传输的光波波长[25-26]。

通过以上分析可知，输入信号光通过耦合器耦合之后，在两臂上传输的光场可表示为

(9)

E3a和E4a两束传输方向相反的光在Sagnac干涉仪内传输一周后，再次进入耦合器时的光场可分别表示为E3t和E4t，由各处的传输关系可知[27]

(10)

根据以上分析，光波在Sagnac环中传输一周后再次通过耦合器耦合输出，根据传输矩阵，最终得到光在耦合器端口1和2的输出光场为

(11)

端口1的入射光功率为I1t=E1t2，端口1的反射光功率为I1a=E1a2，端口2的透射光功率为I2a=E2a2，反射率为R=I1a/I1t，透射率为T=I2a/I1t；当ΔL=0时，透射率正好是FBG的反射谱[28]；当ΔL≠0时，Sagnac环的输出光谱受ΔL的影响，级联FBG的干涉光谱将被分为许多窄带通光谱，增加滤波精细度，在系统中起到梳状滤波器的作用。PC的引入使光纤内部产生双折射效应，可使级联FBG形成的干涉光谱上各波长对应的增益和损耗发生变化，从而对Sagnac环输出的干涉光谱产生影响。

2.2 仿真分析

在ASE光源下，仿真分析了Sagnac环臂长差的大小以及PC旋转角度对输出光谱的影响。

(1)ΔL对输出光谱的影响

固定PC的旋转角度θ=π/2，仿真分析Sagnac环结构中臂长差ΔL对输出光谱的影响。取ΔL=0 mm、ΔL=2 mm、ΔL=4 mm和ΔL=8 mm，得到仿真结果如图5所示。由图5可知，ΔL的变化可改变输出光谱的通带密度，在一定的带宽范围内，ΔL越大，通带越窄，光谱越密，滤波精度越高。但实际应用中考虑到检测系统分辨率的影响，不能通过对ΔL无限增加的方法来提高滤波精度。

图5 对于固定PC的旋转角度，ΔL大小的变化对输出谱的影响。(a)～(d)表示不同的ΔL值。

Fig.5 For a fixed value of the PC rotation angle, the effect of ΔLon the output spectrum. (a)-(d) denote the different values of ΔL.

图6 对于固定的ΔL值，PC旋转角度θ对输出光谱的影响。(a)～(d)为PC的不同旋转角度。

Fig.6 For a fixed value of ΔL, the effect of the PC rotation angle on the output spectrum. (a)-(d) are the different rotation angles of PC.

(2)PC对输出光谱的影响

设置ΔL=2 mm时，改变PC旋转角度θ，观察其对输出光谱的影响，取θ=π/3、θ=π/6、θ=π/10以及θ=π/20进行分析。图6所示仿真结果为不同PC旋转角度对输出光谱的影响，当保持ΔL值不变时，调节PC，即改变PC的旋转角度θ，导致光纤中的双折射效应发生变化，改变了级联FBG反射谱中各波长的增益和损耗，使不同波长的光增益发生变化，改变输出光谱。

3 实验结果与讨论

在ASE光源下，测试级联FBG结合Sagnac环结构的可行性。实验中，调节PC至某一状态时，使用OSA每隔3 s采集一次数据，连续采集30 min，从中选取4组数据，绘制如图7(a)所示的输出光谱；继续调节PC，以相同的处理方式，得到图7(b)。从图7可以看出，调节PC可使输出光谱谱形发生改变，验证了仿真结果的正确性。这是因为Sagnac环中ΔL的存在，3 dB耦合器分出的强度相同的两束光以相反方向通过两臂时，由于两臂上的两段光纤存在长度差，产生了不同的相位延时，导致输出的干涉光谱发生变化。而当调节PC时，在PC中的这部分光纤受力不均匀，由该应力变化引入了光的应力双折射效应，使光波在该段光纤中传输时由单一入射光被分成两束线偏振的折射光，这两束线偏振的光在通过级联FBG时，对级联FBG中的干涉谱谱形产生影响，同样会使输出干涉谱发生变化。因此，ΔL与PC的共同作用，是导致输出光谱发生变化的主要原因。对比于退火后级联FBG的光谱可知，这些通带恰好位于级联FBG干涉谱的包络范围内，且光谱带宽变窄。

图7 调节PC时得到的输出光谱。(a)PC为某一状态；(b)PC为另一状态。

Fig.7 Output spectra by adjusting the states of PC. (a) At one state of PC. (b)At another state of PC.

LD的泵浦功率为110 mW，调节PC偏振态，得到单波长激光输出，图8是对PC进行连续调节时得到的不同波长的单波长激光光谱。由图8可知，调节PC，得到输出单波长激光的波长范围为1 555.644～1 555.992 nm，SMSR高于45 dB。

继续调节PC，得到双波长可调谐激光输出，如图9所示。输出双波长激光的波长范围约为1 555.66～1 556.112 nm，双波长间隔范围约为0.108～0.452 nm，SMSR高于40 dB。

通过调节PC可以改变传输光的偏振态，增强偏振烧孔效应，从而抑制EDF增益的均匀展宽现象，使得不同偏振态的两束光在谐振腔内获得了不同的增益，降低了这两束光之间的模式竞争，使得在干涉光谱的带宽范围内一部分光没有达到激射阈值，因此输出激光的波长数量及位置主要取决于PC的状态。当且仅当某一个模式所对应的增益大于腔内损耗时，得到该模式所对应的单波长激光输出，如图8所示。当调节PC使两个模式处于相互正交的偏振状态时，两束光之间的模式竞争最小，此时若仅有两个模式对应的增益大于损耗，则可以同时得到这两个模式所对应的双波长激光输出，如图9所示。

为验证输出单波长激光的稳定性，选取波长为1 555.764 nm处的激光，测得SMSR为53 dB，在18 min 内每隔3 min 测试一次，如图10所示。实验测得单波长激光的波长漂移量约为0.008 nm。

图8 不同中心波长的单波长激光输出光谱。(a)1 555.644 nm；(b)1 555.772 nm；(c)1 555.868 nm；(d)1 555.992 nm。

Fig.8 Single-wavelength laser output spectrum with different center wavelengths. (a) 1 555.644 nm. (b) 1 555.772 nm. (c) 1 555.868nm.(d) 1 555.992 nm

图9 不同波长间隔的双波长光纤激光器的输出光谱。(a)0.108 nm；(b)0.148 nm；(c)0.192 nm；(d)0.452 nm。

Fig.9 Output spectrum of dual-wavelength fiber lasers with different wavelength spacing. (a) 0.108 nm. (b) 0.148 nm.(c) 0.192 nm. (d) 0.452 nm.

在相同时间内对输出双波长激光的稳定性进行测试，选取输出波长1 555.868 nm和1 556.016 nm，测得输出双波长的SMSR大于40 dB,且双波长激光的中心波长漂移量均小于0.004 nm。

图10 单波长输出激光的稳定性测试

Fig.10 Stability test of output spectra with single wavelength fiber laser

图11 输出双波长激光的稳定性测试

4 结 论

本文提出了一种结合级联FBG与Sagnac环结构实现单-双波长可调谐的掺铒光纤激光器。在室温下调节PC，改变了环内双折射效应，抑制了EDF的均匀加宽现象，从而降低模式竞争，实现波长可调谐。本文从理论研究、仿真分析和实验测试三方面分别验证了该Sagnac环结构的可行性。实验结果表明，调节PC，得到输出激光的波长范围约为1 555.644～1 556.112 nm，双波长间隔范围约为0.108～0.452 nm，SMSR均高于40 dB。在稳定性测试中，得到单-双波长激光的波长最大漂移量小于0.008 nm。相比于类似结构的光纤激光器，该激光器具有结构简单、单-双波长可调谐、调谐方便且滤波精度较高等优点。