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可调双频光纤环形腔激光器研究探讨
１ 引言
双波长或多波长掺铒光纤激光器在光纤波分复用通信系统、光纤传感器和光学仪器等方面的应用越来越引起人们的关注。在产生窄线宽的毫米波信号，甚至是产生太赫兹波时，使用两束激光相拍被认为是一种有效的方法。为了产生较纯的拍频信号，两个频率的激光必须工作在单纵模状态上。另外，为了获得高度相干性的信号，两个频率的激光应该由同一增益媒质，或者由两个相关的增益媒质产生，这样可以极大的减小拍频信号的相位噪声。
近年来，人们利用各种技术和方式来获得多波长激光器。其中，在实现双波长激光器的时候，人们主要采用偏振烧孔(PHB)这一机制。偏振烧孔效应是依靠在激光腔内引入特殊器件，激发两个正交的偏振模式来诱发的，如：多量子井波导、在高双折射光纤或多模光纤上刻制的布拉格光纤光栅等。偏振烧孔效应极大的提高了铒光纤增益的非均匀加宽特性，以达到减小激光腔内模式竞争的目的。另外，由于掺铒光纤是一种增益均匀加宽的介质，所以在室温下对多波长激光器来说如何抑制其交叉增益饱和是非常必要的。以前人们所制作的双波长激光器存在波长间隔难以小于0.1nm 或者间隔固定的缺点，然而波长间隔可调是双波长激光器比较重要的参数之一。
本文提出了一种双波长单频单纵模可调环形腔激光器。通过采用偏振烧孔和多重滤波，这个激光器的两束激光功率相当，并且它们之间的波长间隔具有非常宽的调谐范围。
２ 实验装置和原理
确切的说由同一个增益介质激励的双环谐振腔产生双波长激光器的装置。实验系统两个子环的总长度相当，均约为7 米，其自由谱宽约为30MHz。我们使用一段约1 米长的掺铒光纤(EDF)作为增益媒质。这段EDF 的截止波长为907nm，在978nm 处的吸收系数为17.9dB/m，数值孔径为0.2。采用980nm 半导体激光器通过波分复用器（WDM）对掺铒光纤进行抽运，系统中的其他光纤均为普通单模光纤。在包含增益介质的公共臂上分别连接两个分支，每个分支上包括三个器件，分别为：一个光纤滤波器(FF)、一个偏振控制器(PC)和一个光纤隔离器(IS)。其中一个分支上的滤波器（FF2）是固定的，中心波长为1550.65 nm，3dB 带宽为0.2 nm。另一个分支上的滤波器(FF1)是可调的，波长的可调节范围为1535nm 到1565nm，3dB 带宽为0.3nm。两个分支的工作波长是不同的，分别由不同的滤波器FF1 和FF2 来控制。通过调节可调滤波器FF1，我们可以调节两个相反方向传输激光之间的波长差。偏振控制器PC2 和偏振控制器PC3 分别用来调整每个分支上的偏振状态，以减少损耗。两个偏振分束器用来连接主环和两条支路，同时，也保证了向两个相反方向传输的激光工作在相互正交的偏振状态上。在主干臂上插入一个Mach-Zehnder 梳状滤波器进行进一步滤波，以抑制跳模现象。这个M-Z 滤波器的自由谱宽约为753MHz，3dB 带宽约为378MHz。使用一个90：10 的输出耦合器输出激光。
由于我们用两个偏振分束器连接公共臂和两个分支，这样在增益媒质上会产生偏振烧孔效应，大大降低模式竞争。同时，假如两束激光的传输方向是相同的，在EDF 的输出端面，两束激光同时被放大到最大值，有较强的交叉增益饱和现象。现在采用是两束激光在相反方向上传输的方法，使两束激光沿着EDF 轴向的功率分布也是相反的，有助于加强增益媒质的非均匀加宽效应，以得到稳定的双模工作状态。尤其是在两束激光的波长间隔小于0.1nm的时候，反向传输起了比较大的作用。同时由于反向传输，我们只用一个耦合器即可分离两束激光。
我们使用多重滤波的方式来选择工作频率或者工作模式。Mach-Zehnder 梳状滤波器可以有效的抑制相邻纵模之间的跳模现象。尽管Mach-Zehnder 梳状滤波器的加入引入了一个753MHz 的整数倍的频率分离，但最终形成的滤波特性仍然是多重滤波器的叠加。所以，两束激光之间的频率差不是固定离散的，并且可以通过可调滤波器FF1 进行控制。
３ 实验结果
仔细调节图 1 中的PC1,PC2,PC3，可以得到稳定的双波长激发。调节PC2 和PC3 可以得到在顺时针和逆时针方向的最低阈值。这表明，两个相反方向传输的激光在通过PBSs 的时候，处于相互正交的偏振状态上。调节PC1 使得在EDF 中传输的光处于正交的偏振状态上。最后，微调三个偏振控制器得到在两个相反传输方向功率相当的激光。在光谱分析仪（ANDO，AQ 6317C）可以观察到稳定的双波长功率谱。表示将激光器两路输出分别连接到扫描光纤环形腔，然后经光电转换后在示波器（Tektronix,TDS 1012）观测到的扫描波形。其中，扫描光纤环形腔的自由谱宽为100MHz，使用压电陶瓷来改变扫描光纤环形腔的腔长，从而达到扫描的目的，扫描范围约为73MHz。锯齿波即为加载在压电陶瓷上的电压波形。可以看出激光器工作在单频单纵模状态。这表明，EDF 的非均匀展宽特性被增强了。同时，在调节两束激光之间的频率差时，仍然可以保持激光的单纵模状态。频率差最小可以调节至472.5MHz 以下。将两束输出激光由一个3dB 耦合器合并后连接到光电探测器上，使用频谱仪（Agilent，E4402B）可观察到两束激光信号的拍频谱。在100Hz~3GHz 的测量范围内，只有频率为472.5MHz 的拍频信号，信噪比为25dB。这进一步表明了两束激光工作在单频状态。拍频信号的3dB 带宽约为40KHz。
当调节可调滤波器FF2 时，可以得到波长差变化的两束激光。其中，波长差的最大值可以调节到15nm。这个结果表明，双波长激光器有可能被使用于产生毫米波信号甚至太赫兹信号。当波长差小于0.015nm 时，由于光谱仪的分辨率为0.01nm,在光谱仪上已经不能分辨两束激光。但从示波器的扫描信号和频谱仪的拍频信号中我们可以确定，两束激光仍然处于单纵模状态。
４ 结论
在掺铒光纤环形腔中引入偏振烧孔效应，同时使两束激光在相反方向上传输可以极大增强增益介质的非均匀加宽特性。多重滤波技术有效保证了光的单频状态。通过上述技术，我们得到了一种波长间隔可以在很大范围内进行调节的双波长单频单纵模激光器，其调谐范围为0.019nm 到15nm。
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