基于掺铒光纤作为可饱和吸收体的窄线宽光纤激光器研究

Research on Narrow Linewidth Fiber Laser Based on Erbium Doped Fiber as Saturable Absorber

摘要: 本文介绍了一种以未泵浦的掺铒光纤作为可饱和吸收体，通过3 dB耦合器及环形器，构成一个由驻波效应形成动态光栅的一种窄线宽光纤激光器。测得在中心波长在1559.54 nm处得到输出的激光器，在泵浦功率为150 mW以下时可以保持长时间的稳定工作，泵浦功率为70 mW，输出光功率为17.03 mW，斜率效率为30.73%，光学信噪比为39 dB，波长分辨率的不稳定性小于0.03 nm，光学信噪比的波动小于0.16 dB，从0到1 MHz的37.5 kHz信号频谱中的弛豫振荡频率峰值为−89.6 dB/Hz。通过延时自外差法测量线宽为1.99 kHz。

Abstract: This article introduces a narrow linewidth fiber laser that uses an unpumped erbium-doped fiber as a saturable absorber and a 3 dB coupler and circulator to form a dynamic grating formed by the standing wave effect. The laser output obtained at the center wavelength of 1559.54 nm can maintain stable operation for a long time when the pump power is below 150 mW. The pump power is 70 mW, the output optical power is 17.03 mW, the slope efficiency is 30.73%, the optical signal-to-noise ratio is 39 dB, the wavelength resolution instability is less than 0.03 nm, the fluctuation of the optical signal-to-noise ratio is less than 0.16 dB, and the peak relaxation oscillation frequency in the 37.5 kHz signal spectrum from 0 to 1 MHz is −89.6 dB/Hz. The line width was measured to be 1.99 kHz using the delayed self heterodyne method.

1. 引言

具有窄光谱线宽、长相干长度的光纤激光器被称为窄线宽光纤激光器，也叫做单纵模光纤激光器，其谐振腔内只存在一个单纵模，并具有非常窄的输出频率谱宽。该种光纤激光器在当今研究领域中是最前沿的研究课题之一，以其卓越的性价比，在激光加工 [1] 、光纤通信 [2] 、激光雷达 [3] 、光纤传感 [3] 等领域得到广泛应用。光纤激光器与其他激光器相比，具有大的表面体积比、增益介质长、易散热、高亮度、单频运转、宽光谱范围、设计性能稳定、体积小和结构紧凑等特点。由于其优异的稳定性、良好的空间结构、紧凑简便的装置、高效率以及良好的散热性能，光纤激光器已成为近年来激光器领域研究的热点方向之一。

通过掺杂稀土元素制成的全光纤激光器取得了在超窄线宽、超窄脉冲、超高功率和超高亮度等方面的巨大成功。其中，将稀土元素掺入石英光纤中制成的光纤激光器增益光纤技术最为广泛应用。相对于半导体激光器，光纤激光器在输出激光的线宽、噪声、功率阈值、波长切换和光谱调谐等方面取得了显著的研究成果。它可以用于现有的光纤通信、光栅传感、激光测距和激光雷达等系统，是目前许多研究领域的热点之一。单频光纤激光器采用掺杂Er³⁺、Yb³⁺等稀土离子的光纤作为增益介质，通过泵浦光的激励使掺杂离子的能级粒子数发生反转，然后在谐振腔中经过滤波器滤波，最终输出稳定的激光。实现窄线宽单频光纤激光器的设计方法如下：半导体激光放大器 [4] ，采用复合腔 [5] [6] [7] 选择模式，采用未泵浦光纤作为饱和吸收体，形成具有窄带滤波特性 [8] [9] [10] 的瞬态光栅。

2013年，华南理工大学He等人采用环形腔结构搭建激光器，以高浓度的掺铥锗酸盐光纤为增益介质，实现了最大输出功率超过200 mW、线宽小于7 kHz的单频输出 [11] ；2017年，西北大学的Lu等人以复合环形腔结构搭建了一台60 nm 宽带调谐的单频光纤激光器，平均线宽8.8 kHz [12] ；2018年，伊朗阿米尔卡比尔理工大学的Poozesh等人在环形腔内采用保偏掺镱光纤实现了35 mW的稳定单频输出，相应的线宽小于6 kHz [13] ；2020年，西北大学的Wang等人利用环形腔搭建了一台1068 nm的全保偏单频掺镱双向光纤激光器，输出线宽为7.43 kHz [14] 。

光纤中诱导动态光栅技术是一种利用光纤中掺杂物的非线性效应来实现频率转换的技术。通过在光纤中引入一个周期性调制的折射率变化，可以将输入光信号转换成不同频率的输出信号。这种技术通常被用于光通信和光学传感器等领域。基于光纤中诱导动态光栅技术的窄线宽光纤激光器研究是一个重要的研究方向。该技术可通过调整光栅的周期和强度来实现光学谐振腔，从而实现窄线宽光纤激光器的发射。综上所述，基于光纤中诱导动态光栅技术的窄线宽光纤激光器研究是一个具有重要意义和广泛应用前景的研究方向。未来的研究应该注重对关键技术的深入探究和创新，以推动该领域的发展。

本文以环形腔为基础，设计了一种由未泵浦EDF作为可饱和吸收体，通过3 dB耦合器及环形器实现两束相同光在可饱和吸收体内部形成动态光栅，实现窄线宽输出。

2. 实验装置与原理

使用激光来回穿过未泵浦掺杂光纤，并产生干涉，形成驻波。随着注入光的增强，光纤中会产生空间“烧孔”效应，使得光纤的折射率被微弱周期性调制，并在纤芯中形成窄带FBG。这种FBG称为动态窄带FBG，由于它的中心波长与入射光波长相同并随之变化，具有动态特性。动态窄带FBG的带宽与未泵浦掺杂光纤的长度呈反比关系，即光纤越长，光栅的滤波带宽越窄。因此，我们可以选择适当长度的未泵浦掺杂光纤进行滤波，以达到仅保留一个谐振腔纵模的目的。

图1是一个以未泵浦的EDF (EDFC-980-HA)作为可饱和吸收体的光纤激光器，此型号的EDF在1530 nm处的吸收峰值为6~7.5 dB/m，980 nm出的吸收峰值为3~10 dB/m，数值孔径为0.23，长度为8 m，由一个980/1550 nm的半导体激光器作为该激光器的泵浦源，采用980/1550 nm的波分复用器(WDM)将泵浦光连接到作为增益光纤的掺铒光纤中，增益光纤采用与作为可饱和吸收体相同型号的EDF8m，再连接到作为输出端口的10/90耦合器，输出前置时，可以使系统整体更加稳定，减少发生跳模的可能 [15] ，其中10%端口的传输端口在回路内，90%端口的传输端口作为输出，连接到一个1550 nm的光隔器防止回光 [15] ，10%端口连接到50/50的3 dB耦合器，相同的两束光分别进入两个环形器(CIR)的1端口，在2端口作为可饱和吸收体的未泵浦掺铒光纤EDF2相遇。交换路径后通过CIR的3端口在另一个相同的3 dB耦合器处结合在一起，连接一个1550 nm的光隔离器，最后连接到WDM形成环路。该结构整体腔长约为24 m。在两个环形器的2端口传输的相同的两束光在EDF2中相遇，根据驻波效应形成动态光栅以达到压窄线宽的目的。

Figure 1. Schematic diagram of erbium-doped fiber laser

图1. 掺铒光纤激光器的示意图

当光通过2个CIR的端口2时，在未泵浦的EDF中有两个相反方向的传播光。根据驻波和非线性光学理论，EDF2中的折射率的动态周期性分布。动态布拉格光栅是一个超窄的自跟踪滤波器。其半高全宽(FWHM)为 [16] ：

(1)

诱导动态光栅的耦合系数为κ [17] ：

$\kappa =\frac{2\Delta n}{n_{eff}\lambda }$ (2)

其中，λ代表中心波长，n为未泵浦EDF2的有效折射率。L_g是EDF2的长度，Δn是折射率的变化量，可以通过Kramers-Kronig关系 [18] 得出。在该实验中，λ = 1559.54 nm，L_g = 8 m，n_eff = 1.44，折射率的变化估计为2 × 10⁻⁷，κ = 0.18，Δf = 3.36 MHz，自由光谱范围可表示为：

$\text{FSR}=c/nL$ (3)

c表示光速，n为掺铒光纤的折射率，L为掺铒光纤的长度。c = 3 × 10⁸ m/s，n = 1.44，L = 8 m。主腔的FSR = 8.68 MHz。2个3 dB耦合器之间两束光的光程差为复合腔的长度，复合腔的纵模间隔差为：

$\Delta v_q=\frac{c}{2n\times \Delta L}$ (4)

c表示光速，n表示掺铒光纤的折射率，ΔL为复合腔长度，c = 3 × 10⁸ m/s，n = 1.44，ΔL = 0.3 m，Δv_q = 0.35 GHz。显然动态光栅部分的FWHM小于复合腔和主腔，这意味着这种结构的动态光栅可能实现窄线宽输出。

3. 实验结果分析与讨论

Figure 2. Slope efficiency of erbium-doped fiber lasers

图2. 掺铒光纤激光器的斜率效率

输出光的斜率效率如图2所示，泵浦光在60 mW后输出趋于稳定，在泵浦光到达100 mW时，输出为26.01 mW，该光纤激光器的斜率效率为30.73%。中心波长在1559.54 nm处。

实验中使用功率计(THORLABS S145C)测试中心波长在1559.54 nm处，泵浦功率为70 mW，输出功率为17.53 mW时该激光器输出功率的稳定性，图3显示了1 h内此光纤激光器的输出功率的稳定性。

Figure 3. Tability curve of laser output power at a wavelength of 1559.54 nm

图3. 激光输出波长为1559.54 nm时输出功率稳定性曲线

Figure 4. Output spectra of erbium-doped fiber lasers

图4. 掺铒光纤激光器的输出光谱

中心波长为1559.54 nm的光纤激光器的光谱图如图4所示，光谱分析仪(YOKOGAWA AQ6375)的扫描范围在1557.1~1562.1 nm内，分辨率为0.05 nm，光学信噪比为39 dB。光谱在泵浦光为150 mW以下时可以保持长时间的稳定，泵浦光在150 mW时，输出达到39.6 mW；在泵浦光到达160 mW时，开始发生周期为22 s一次的跳模现象，推测为泵浦功率过高，光纤激光器内部的光子密度会增加，这会导致光子之间的相互作用增强。当光子密度超过一定阈值时，非线性效应会变得非常显著，导致激光器输出的光频和光强发生剧烈的周期性变化。

光纤激光器的波长稳定性以及信噪比稳定性如图5所示，以5 min为间隔测量1 h内波长的稳定性。如图5所示，光谱中心波长没有显著变化。该波长偏移与光学信噪比波动是由于泵浦功率及环境变化所引起的。通过计算可知：波长分辨率的不稳定性小于0.03 nm，光学信噪比的波动小于0.16 dB。

Figure 5. Output spectral stability of fiber laser within 1 hour

图5. 1 h内光纤激光器的输出光谱稳定性

该光纤激光器的线宽如图6所示，使用延迟自外差系统 [19] 测量该激光器的线宽。声光调制器(AOM)频移为50 MHz，延迟光纤为10 km的单模延迟光纤，频谱分析仪(Agilent E4407B)用于测量外差信号，光电探测器的最高承受输出为3 mW，在泵浦光为70 mW时，输出光为17.03 mW，通过延迟光纤后，输出在光电探测器的承受范围内。使用洛伦兹线性拟合的频谱可以得到1.99 kHz的线宽。

使用带宽从1到5 GHz，覆盖波长范围400~1700 nm，最大峰值功率为100 mW的光电探测器(Thorlabs DET08CFC/M)和频谱分析仪(Agilent E4407B)测量此窄线宽激光器的相对强度噪声强度。当泵浦功率为0时，频谱分析仪的相对强度噪声如图7黑色曲线所示。当泵浦源的功率为70 mW时，从0到1 MHz的37.5 kHz信号频谱中的弛豫振荡频率峰值为−89.6 dB/Hz。弛豫振荡是因为抽运场和激光信号场之间存在动态能量的交换过程。对比频率为0~1 MHz的相对噪声与接收的噪声。在此光纤激光器中没有观察到其他噪声成分。

Figure 6. Spectral linewidth of erbium-doped fiber lasers

图6. 掺铒光纤激光器的光谱线宽

Figure 7. Relative intensity noise spectrum of fiber lasers

图7. 光纤激光器的相对强度噪声频谱

4. 结论

通过将EDF作为可饱和吸收体，3 dB耦合器以及环形器，设计了一种由未泵浦EDF作为可饱和吸收体，通过3 dB耦合器及环形器实现两束相同光在未泵浦的EDF中形成驻波，光强的周期性分布导致吸收的周期性变化，引起折射率的周期性变化的滤波结构。最终使可饱和吸收体内部形成一个动态光栅，实现窄线宽输出，证明了该结构是一种窄线宽光纤激光器。采用980 nm的半导体激光器作为泵浦源，掺铒光纤在谐振腔内作为增益光纤以及可饱和吸收体，光隔离器保证激光在谐振腔内的单向传输，实验结果表明，以EDF作为可饱和吸收体形成的动态光栅是保持该系统稳定运行的关键因素，该结构有效地抑制了泵浦功率较低时的模式跳变。增益光纤以及可饱和吸收体的掺杂浓度、长度以及泵浦光的功率都会影响激光器的稳定性。采用8 m的EDF作为增益光纤，以及8 m的未泵浦的EDF作为可饱和吸收体可以在泵浦为150 mW以下时长时间地稳定运行。泵浦功率为70 mW，输出光功率为17.03 mW，斜率效率为30.73%，光学信噪比为39 dB，波长分辨率的不稳定性小于0.03 nm，光学信噪比的波动小于0.16 dB，从0到1 MHz的37.5 kHz信号频谱中的弛豫振荡频率峰值为−89.6 dB/Hz。通过延时自外差法测量线宽为1.99 kHz。