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可調(diào)雙頻光纖環(huán)形腔激光器研究探討
１ 引言
雙波長或多波長摻鉺光纖激光器在光纖波分復用通信系統(tǒng)、光纖傳感器和光學儀器等方面的應用越來越引起人們的關注。在產(chǎn)生窄線寬的毫米波信號，甚至是產(chǎn)生太赫茲波時，使用兩束激光相拍被認為是一種有效的方法。為了產(chǎn)生較純的拍頻信號，兩個頻率的激光必須工作在單縱模狀態(tài)上。另外，為了獲得高度相干性的信號，兩個頻率的激光應該由同一增益媒質(zhì)，或者由兩個相關的增益媒質(zhì)產(chǎn)生，這樣可以極大的減小拍頻信號的相位噪聲。
近年來，人們利用各種技術和方式來獲得多波長激光器。其中，在實現(xiàn)雙波長激光器的時候，人們主要采用偏振燒孔(PHB)這一機制。偏振燒孔效應是依靠在激光腔內(nèi)引入特殊器件，激發(fā)兩個正交的偏振模式來誘發(fā)的，如：多量子井波導、在高雙折射光纖或多模光纖上刻制的布拉格光纖光柵等。偏振燒孔效應極大的提高了鉺光纖增益的非均勻加寬特性，以達到減小激光腔內(nèi)模式競爭的目的。另外，由于摻鉺光纖是一種增益均勻加寬的介質(zhì)，所以在室溫下對多波長激光器來說如何抑制其交叉增益飽和是非常必要的。以前人們所制作的雙波長激光器存在波長間隔難以小于0.1nm 或者間隔固定的缺點，然而波長間隔可調(diào)是雙波長激光器比較重要的參數(shù)之一。
本文提出了一種雙波長單頻單縱模可調(diào)環(huán)形腔激光器。通過采用偏振燒孔和多重濾波，這個激光器的兩束激光功率相當，并且它們之間的波長間隔具有非常寬的調(diào)諧范圍。
２ 實驗裝置和原理
確切的說由同一個增益介質(zhì)激勵的雙環(huán)諧振腔產(chǎn)生雙波長激光器的裝置。實驗系統(tǒng)兩個子環(huán)的總長度相當，均約為7 米，其自由譜寬約為30MHz。我們使用一段約1 米長的摻鉺光纖(EDF)作為增益媒質(zhì)。這段EDF 的截止波長為907nm，在978nm 處的吸收系數(shù)為17.9dB/m，數(shù)值孔徑為0.2。采用980nm 半導體激光器通過波分復用器（WDM）對摻鉺光纖進行抽運，系統(tǒng)中的其他光纖均為普通單模光纖。在包含增益介質(zhì)的公共臂上分別連接兩個分支，每個分支上包括三個器件，分別為：一個光纖濾波器(FF)、一個偏振控制器(PC)和一個光纖隔離器(IS)。其中一個分支上的濾波器（FF2）是固定的，中心波長為1550.65 nm，3dB 帶寬為0.2 nm。另一個分支上的濾波器(FF1)是可調(diào)的，波長的可調(diào)節(jié)范圍為1535nm 到1565nm，3dB 帶寬為0.3nm。兩個分支的工作波長是不同的，分別由不同的濾波器FF1 和FF2 來控制。通過調(diào)節(jié)可調(diào)濾波器FF1，我們可以調(diào)節(jié)兩個相反方向傳輸激光之間的波長差。偏振控制器PC2 和偏振控制器PC3 分別用來調(diào)整每個分支上的偏振狀態(tài)，以減少損耗。兩個偏振分束器用來連接主環(huán)和兩條支路，同時，也保證了向兩個相反方向傳輸?shù)募す夤ぷ髟谙嗷フ坏钠駹顟B(tài)上。在主干臂上插入一個Mach-Zehnder 梳狀濾波器進行進一步濾波，以抑制跳模現(xiàn)象。這個M-Z 濾波器的自由譜寬約為753MHz，3dB 帶寬約為378MHz。使用一個90：10 的輸出耦合器輸出激光。
由于我們用兩個偏振分束器連接公共臂和兩個分支，這樣在增益媒質(zhì)上會產(chǎn)生偏振燒孔效應，大大降低模式競爭。同時，假如兩束激光的傳輸方向是相同的，在EDF 的輸出端面，兩束激光同時被放大到最大值，有較強的交叉增益飽和現(xiàn)象。現(xiàn)在采用是兩束激光在相反方向上傳輸?shù)姆椒ǎ箖墒す庋刂鳨DF 軸向的功率分布也是相反的，有助于加強增益媒質(zhì)的非均勻加寬效應，以得到穩(wěn)定的雙模工作狀態(tài)。尤其是在兩束激光的波長間隔小于0.1nm的時候，反向傳輸起了比較大的作用。同時由于反向傳輸，我們只用一個耦合器即可分離兩束激光。
我們使用多重濾波的方式來選擇工作頻率或者工作模式。Mach-Zehnder 梳狀濾波器可以有效的抑制相鄰縱模之間的跳模現(xiàn)象。盡管Mach-Zehnder 梳狀濾波器的加入引入了一個753MHz 的整數(shù)倍的頻率分離，但最終形成的濾波特性仍然是多重濾波器的疊加。所以，兩束激光之間的頻率差不是固定離散的，并且可以通過可調(diào)濾波器FF1 進行控制。
３ 實驗結(jié)果
仔細調(diào)節(jié)圖 1 中的PC1,PC2,PC3，可以得到穩(wěn)定的雙波長激發(fā)。調(diào)節(jié)PC2 和PC3 可以得到在順時針和逆時針方向的最低閾值。這表明，兩個相反方向傳輸?shù)募す庠谕ㄟ^PBSs 的時候，處于相互正交的偏振狀態(tài)上。調(diào)節(jié)PC1 使得在EDF 中傳輸?shù)墓馓幱谡坏钠駹顟B(tài)上。最后，微調(diào)三個偏振控制器得到在兩個相反傳輸方向功率相當?shù)募す狻Ｔ诠庾V分析儀（ANDO，AQ 6317C）可以觀察到穩(wěn)定的雙波長功率譜。表示將激光器兩路輸出分別連接到掃描光纖環(huán)形腔，然后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后在示波器（Tektronix,TDS 1012）觀測到的掃描波形。其中，掃描光纖環(huán)形腔的自由譜寬為100MHz，使用壓電陶瓷來改變掃描光纖環(huán)形腔的腔長，從而達到掃描的目的，掃描范圍約為73MHz。鋸齒波即為加載在壓電陶瓷上的電壓波形。可以看出激光器工作在單頻單縱模狀態(tài)。這表明，EDF 的非均勻展寬特性被增強了。同時，在調(diào)節(jié)兩束激光之間的頻率差時，仍然可以保持激光的單縱模狀態(tài)。頻率差最小可以調(diào)節(jié)至472.5MHz 以下。將兩束輸出激光由一個3dB 耦合器合并后連接到光電探測器上，使用頻譜儀（Agilent，E4402B）可觀察到兩束激光信號的拍頻譜。在100Hz~3GHz 的測量范圍內(nèi)，只有頻率為472.5MHz 的拍頻信號，信噪比為25dB。這進一步表明了兩束激光工作在單頻狀態(tài)。拍頻信號的3dB 帶寬約為40KHz。
當調(diào)節(jié)可調(diào)濾波器FF2 時，可以得到波長差變化的兩束激光。其中，波長差的最大值可以調(diào)節(jié)到15nm。這個結(jié)果表明，雙波長激光器有可能被使用于產(chǎn)生毫米波信號甚至太赫茲信號。當波長差小于0.015nm 時，由于光譜儀的分辨率為0.01nm,在光譜儀上已經(jīng)不能分辨兩束激光。但從示波器的掃描信號和頻譜儀的拍頻信號中我們可以確定，兩束激光仍然處于單縱模狀態(tài)。
４ 結(jié)論
在摻鉺光纖環(huán)形腔中引入偏振燒孔效應，同時使兩束激光在相反方向上傳輸可以極大增強增益介質(zhì)的非均勻加寬特性。多重濾波技術有效保證了光的單頻狀態(tài)。通過上述技術，我們得到了一種波長間隔可以在很大范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)的雙波長單頻單縱模激光器，其調(diào)諧范圍為0.019nm 到15nm。
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