可調諧光纖激光器研究范文

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《國際神經病學神經外科學雜志》2016年第3期

摘要：

研制了一臺高速波長連續掃描光纖激光器。使用SOA作為增益介質，用高速可調諧法珀濾波器作為波長調諧器件，構成的環形腔激光器。測量結果表明，激光器的平均輸出功率2．6mW，波長掃描范圍40nm，波長掃描范圍內功率波動范圍小于±0．4dBm，線寬小于0．01nm，掃描速度達到2kHz。

關鍵詞：

激光器；可調諧光纖激光器；可調諧法珀濾波器；半導體光放大器

0引言

在光纖通信、光纖傳感、光學相干成像、光電檢測領域，廣泛使用到波長可調諧光源。在這些需求中，有的要求波長調諧只需要幾個納米，有的需要調諧幾十甚至上百納米。小范圍的波長調諧可以比較容易實現，例如，通過光纖光柵，或者改變半導體激光器的工作溫度或驅動電流［1］，都可以實現波長的調諧。半導體技術的最新發展，已經有調諧范圍達到40nm的半導體激光器了。但這種激光器的調諧不是連續調諧，而是步進式的調諧，例如每2GHz步進一步。而在測量與傳感器領域，一般需要激光波長連續調諧。波長連續掃描可以通過掃描平面光柵［2］或棱鏡［3］來調諧外腔式激光器的輸出波長，但這種激光器需要在光學平臺上實現，結構不穩定，也不便于移動。另外一種實現波長可大范圍連續調諧的技術就是使用光纖可調諧法珀濾波器［4］，這種器件小巧、堅固、可靠性高，一般掃描范圍可以超過40nm，甚至達到100nm，并且掃描波長連續。所以光纖法珀可調諧濾波器廣泛用在光纖通信、光纖傳感、光學相干成像、光電檢測領域，以實現波長掃描。對于波長掃描激光器，另一個要求就是掃描速度高。在很多應用場合，如光學相干成像，高速光纖光柵傳感器等領域，需要高速、寬波長范圍的掃描激光器，如超過1000Hz的高速掃描激光器。這一方面需要高速的可調諧法珀濾波器，另一方面，需要在高速掃描時，還要保證激光輸出功率穩定。因為高速掃描時，要保證激光輸出穩定，需要避免激光出現弛豫振蕩。本文在選擇高速可調諧法珀濾波器和利用半導體光放大器（SOA）基礎上，研制出掃描頻率超過2kHz的高速可調諧光纖激光器，得到了非常好的測試結果。

1原理

高速掃描的環形腔光纖激光器的結構如圖1所示。用半導體光放大器（SOA）來作為增益介質，它是用電流泵浦來實現粒子數翻轉。SOA使用In－Phenix公司的產品，工作波長在1550nm，偏振相關度為1dB，增益20dB。波長掃描器件使用北京理工大學研制的高速光纖法珀濾波器，該濾波器的自由光譜范圍FSR＝80nm，線寬0．15nm，精細度533，損耗1．5dB，工作波長范圍超過200nm。該濾波器由壓電陶瓷驅動，最高掃描速度超過2kHz，驅動電壓13V／FSR，掃描電壓位40V時可以得到3個完整的自由光譜范圍。該光纖可調諧濾波器使用微透鏡技術，在光纖的端面制作出微小的聚焦透鏡，將從光纖端面輸出的發散光匯聚后，形成高精細度的微腔，實現了高精細度和低損耗的光纖Fabry－Perot干涉儀。結合壓電陶瓷微調諧技術，實現干涉儀的大范圍調諧。實際測試了濾波器的特性，其透射光譜如圖2所示。圖2（a）是光譜儀掃描范圍為200nm時的透射光譜，可見該濾波器實際自由光譜范圍是108nm。圖2（b）掃描了1576nm波長上這個透射峰的光譜，掃描范圍5nm，測得線寬0．16nm，可知該濾波器的實際精細度是675。峰值位置的透射率是74％，對應損耗1．3dB。另外實際測得掃描一個FSR的電壓是12V。性能滿足該激光器的需求。由于SOA的增益范圍寬，而粒子數反轉時的在亞穩態的時間很短，使得SOA易于同時激發出多個波長的激光。為了避免產生多個波長，圖1的環路中加入了帶通濾波器，帶通濾波器的波長范圍為1527～1567nm，雖然使激光器的波長掃描范圍變窄了，但在1527～1567nm波長范圍內只有一個波長的激光輸出，而在此波長范圍外，沒有激光輸出。激光器是環形腔結構，工作原理如下：SOA在外加電流的泵浦下，在前向和后向兩個方向都有自發輻射光。用兩個隔離器分別放置在SOA兩端，使激光振蕩沿反時針方向，而禁止順時針方向的光振蕩。只有在濾波器的輸出波長上，且位于帶通濾波器的通帶以內的光才能在環形器中諧振，輸出激光，而其它波長的光都被抑制了。當可調諧濾波器掃描時，在帶通濾波器范圍內，就會連續掃描激光的輸出波長。激光輸出通過80：20耦合器的20％端口輸出。

2測試結果

系統搭建完成后，首先測試激光器的靜態輸出光譜，此時在濾波器上外加直流偏壓。光譜儀使用橫河公司AQ6237，分辨率設置為最高的0．01nm。在濾波器外加不同的直流電壓時，得到不同的激光輸出。圖3分別是激光器在不同輸出波長時的光譜，激光輸出波長分別是1527nm，1534nm，1544nm，和1563nm。可以看到，在縱坐標設為每格10dBm時，光譜也非常光滑，3dB帶寬小于0．01nm，已經超出了光譜儀的測量分辨率，且是單縱模。在這4個波長上的光功率分別是2．3dBm，2．4dBm，2．8dBm，和3．0dBm，平均輸出功率2．6mW。功率波動范圍小于±0．4dBm。為了測試掃描激光器的動態特性，需要在濾波器上外加一鋸齒波電壓，在線性電壓加上濾波器后，濾波器就開始掃描，連續輸出1527nm～1567nm的波長掃描激光。若電壓掃描范圍寬，就可以獲得不同FSR范圍內的激光輸出，由于每個濾波器的FSR有80nm，而帶通濾波器的波長范圍限制了激光器的波長掃描范圍只有40nm，所以在兩個FSR間，有一段空白的波長沒有激光輸出。測試的系統如圖4所示，將波長掃描激光器的輸出外接到一只法珀標準具，標準具的輸出接光電探測器PIN和放大器，放大器的輸出采集進計算機或送入示波器顯示。在掃描頻率分別是1kHz和2kHz時，示波器輸出的信號分別如圖5和圖6所示。每個圖中，（a）是在掃描時外加鋸齒波波形和標準具的輸出。由于商用的信號發生器的信號幅度范圍只有20V，掃描波形中看到的，在鋸齒波上升沿是前一個FSR的尾部，中間一段間隔，然后是下一個FSR的頭部。有信號一段是在帶通濾波器的通帶內，沒有信號輸出的部分是濾波器雖然在掃描，但不在帶通濾波器的通帶范圍內。在鋸齒波的下降沿，濾波器的掃描波長反過來，因此所的到的光譜信號與上升沿得到的對稱。每個圖中，（b）是將示波器時間坐標拉開后看到的標準具的輸出信號，波長間隔0．8nm，精細度位7的標準具光譜波形被清晰的顯示出來。即使在掃描頻率達到2kHz時還完整的掃描出標準具的光譜。但在2kHz時，標準具的輸出波形有變形，這是由于頻率高了后，放大器的濾波電容積分效應造成的信號拖尾產生的。

3結論

本文研制了一臺高速波長連續掃描的光纖激光器。使用SOA作為增益介質，用高速可調諧法珀濾波器作為波長調諧器件，構成的環形腔激光器。靜態測量測試結果表明，平均輸出功率2．6mW。功率波動范圍小于±0．4dBm，線寬小于0．01nm，波長掃描范圍40nm。動態測量結果表明，掃描速度達到2kHz還能夠很好的工作。這種激光器能夠應用到高速光纖傳感器和光纖相干成像技術領域。

參考文獻：

［4］江毅，唐才杰．光纖Fabry－Perot干涉儀：原理及應用［M］．北京：國防工業出版社，2009．

作者:黃邦菊 單位:中國民航飛行學院空中交通管理學院