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应用偏振非均匀性实现多波长振荡的
掺铒光纤激光器

孙军强 丘军林 黄德修

摘要 利用掺铒光纤激光器腔内的偏振非均匀性，实现了多波长的同时激射. 实验表明，改变多量子阱光波导上的偏置电流和腔内光的偏振态，可增强偏振烧孔效应. 室温下产生了间隔为0.9 nm的10个波长.
关键词 多波长激射 偏振非均匀性 掺铒光纤激光器

确定波长间隔的多波长掺铒光纤激光器能应用于密集波分复用(DWDM)的光纤通信系统、光学传感器以及光学测量仪器中，近年来引起了众多学者极大的兴趣〔1～3〕. 然而，在光抽运下，室温下的掺铒光纤属均匀加宽的增益介质，在谐振腔内存在着强烈的模式竞争，因而激光振荡极不稳定，要实现多个波长的同时激射具有很大的难度. 众多研究者提出了不同的方法来实现掺铒光纤激光器多波长的同时振荡. 如对掺铒光纤进行液氮冷却，以降低均匀加宽的线宽，减少模式竞争〔4〕. 然而低温工作的掺铒光纤激光器不能满足实用的要求. Cowle等人〔5〕利用线性的掺铒光纤增益和非线性的Brillouin增益，实现了多波长振荡. Lim等人〔6〕将四波混频(FWM)与受激Brillouin散射(SBS)效应相结合，获得了34个波长的输出，然而两者都需要外加可调谐的DFB激光器抽运，使用成本较高. 本文提出一种结构新颖且简单的类似于F-P腔的掺铒光纤激光器，并采用多量子阱光波导(MQW)作为等效反射腔镜. 由于MQW结构的固有的各向异性，光波导的参数将随外界的注入光的偏振态而变化〔7〕，表现为高的非线性双折射特性，因而有助于增强腔内光的偏振非均匀性. 应用腔内的偏振烧孔效应，减少室温下掺铒光纤的均匀加宽的线宽，实现了稳定的腔内梳状滤波器，使多个波长同时振荡.

1 实验装置

图1所示是多波长振荡掺铒光纤激光器的结构示意图. 多量子阱光波导和由光纤耦合器、单模光纤以及光纤偏振控制器构成的Sagnac光纤环形镜组成了掺铒光纤激光器的两反射腔镜. MQW光波导对1 550 nm的光是透明的，它的后解理面镀有增反膜，反射率可达95%. 前解理面镀有部分反射膜. 在光纤激光器的腔内和光纤环形镜内放置有偏振控制器.掺铒光纤的长度为10 m，其芯径为5μm，数值孔径为0.18，截止波长约为945 nm.掺铒光纤由最大输出功率为60 mW的980 nm的半导体激光器通过980/1 550 nm的波分复用(WDM)光纤耦合器对其进行抽运.针对激射波长，WDM耦合器的2， 3端口间的耦合效率达90%. 光纤环形镜中单模光纤(SMF)的长度为1 133 m. MQW光波导是经过精心设计的带尾纤的MQW激光器件，在实验中它始终被偏置在阈值以下. 激光器输出的光谱由分辨率为0.2 nm的光谱分析仪作监测和分析.

图1 多波长振荡掺铒光纤激光器的结构示意图

2 实验结果及其讨论

当MQW光波导上不加偏置电流时，掺铒光纤激光器作不稳定的自由振荡，而且输出的光波长的位置随腔内光的偏振控制器的状态而异. 图2所示是当MQW光波导上的偏置电流在0～15 mA的范围内变化时，观察到激光器的单纵模调谐特性. 调谐范围被限制在一个纵模间隔内. 这表明，通过改变MQW光波导上的偏置电流，可实现激光器的可调谐. 这是由于MQW光波导的折射系数随着注入光波导的载流子的变化而变化所形成的. 由外加电流间接地引起折射系数的变化，一方面，造成激光场在腔内的往返振荡的光程变化；另一方面, 使得MQW光波导的等效反射系数发生变化，从而导致可调谐特性的产生. 实验中我们还发现，偏置电流在较低的范围内(<12 mA)变化时，激光器产生两纵模振荡，而且纵模间隔也随偏置电流而变化(如图3所示). 逐渐增大MQW上的偏置电流以及调节激光器中两偏振控制器的状态，观察到了激光振荡纵模数目及其波长位置的变化. 当偏置电流为22.8 mA，注入抽运功率为50 mW时，改变偏振控制器的状态，使入射至MQW光波导的光的偏振方向与量子阱层分别成90°, 0°和45°，激光器输出的光谱分别对应于图4(a)～(c). 在上述不同偏振方向的光入射至光波导的情况下，将在光波导内分别激励TM模、TE模或TM模和TE模共同传输. 通过调节偏振控制器，获得的线偏振光的偏振方向与波长是相关的，因而在掺铒光纤的光谱上产生了不同位置的偏振烧孔. 最终我们成功地获得了在1 559～1 569 nm波长范围内，间隔为0.9 nm的10个波长的输出.对多波长振荡(图4(c))的长时间实验监测表明，波长的间隔具有很好的稳定性，但各个纵模的光功率存在着差异. 一方面是掺铒光纤的增益不平坦；另一方面是谐振腔内建立的梳状滤波器的光功率传递函数对激射波长的不均衡. 而且模式竞争不能完全被抑制. 选择不同参数的MQW光波导作为等效反射腔镜，可改变多波长振荡的纵模间隔及数目(如图5所示).

图2 在不同的MQW光波导的偏置电流下测得
的光纤激光器单纵模光谱
(a) 5.3, (b) 8.3, (c) 11.7 mA

图3 在不同的MQW光波导的偏置电流下测得的光纤激光器双纵模光谱
(a) 5.6; (b) 9.7 mA

图4 光纤激光器输出的光谱
入射光的偏振方向与光波导的量子阱层的夹角分别为
(a) 90°, (b) 0°, (c) 45°

图5 采用不同结构参数的MQW光波导后光纤
激光器输出的光谱

我们认为，当一定偏振态的光入射至MQW光波导后，在光波导内激励的TE和TM模将经历不同的线性与非线性相位延迟，导致输出偏振态的椭圆旋转. 事实上，MQW光波导相当于非线性相位延迟器，其双折射系数可通过改变MQW光波导上的偏置电流调节. 在低的偏置电流下，TM模的折射系数变化ΔnTM小于TE模的折射系数变化ΔnTE〔7〕. 通过调节偏置电流，可获得合适的ΔnTM/ΔnTE值，达到实现多波长振荡的非线性相位延迟. 除此之外, 非线性相位延迟量还与注入MQW光波导的光功率、光的偏振态有关，这就决定了激励的TM模与TE模的幅度的比值. 根据入射光的偏振态与入射强度的不同，经MQW光波导反射后，输出的不同偏振态的光附带有不同的非线性相位延迟，极大地增强了激光器谐振腔内的光强和偏振态的非均匀性. 从而在均匀加宽的掺铒光纤增益介质中产生偏振烧孔. 由MQW光波导的选择性反射引起的偏振烧孔，导致了掺铒光纤均匀加宽的线宽减小. 最后建立了稳定的梳状滤波器，因而成功地实现了多波长同时激射.

3 结论

在掺铒光纤激光器中引入MQW光波导作为等效反射腔镜，通过调节MQW光波导的偏置电流，形成对不同偏振态、不同光强的光的选择性反射，极大地增强了腔内的非均匀性，建立了稳定的梳状滤波器. 室温下获得了从1 559～1 569 nm波长范围内，间隔为0.9 nm的10个波长的输出. 要进一步减少波长间隔以及满足光纤通信系统和传感器的实用要求，在优化设计MQW光波导的同时需平坦掺铒光纤的增益.

国家自然科学基金资助项目 (批准号: 69778025)
孙军强（华中科技大学光电子工程系）
丘军林（激光技术国家重点实验室，武汉 430074）
黄德修（华中科技大学光电子工程系）

参 考 文 献

1，Park N, Dawson J W, Valhala K J. Multiple wavelength operation of an Erbium-doped fiber laser. IEEE Photon Technol Lett, 1992, 4(6): 540～541
2，Chow J, Town G, Eggleton B, et al. Multiwavelength generation in an erbium-doped fiber laser using in-fiber comb filters. IEEE Photon Technol Lett, 1996, 8(1): 60～62
3，Graydon O, Loh W H, Laming R I, et al. Triple-frequency operation of an Er-doped twincore fiber loop laser. IEEE Photon Technol Lett, 1996, 8(1): 63～65
4，Yamashita S, Hotate K. Multiwavelength erbium-doped fiber laser using intercavity etalon and cooled by liquid nitrogen. Electron Lett, 1996, 32(14): 1 298～1 299
5，Cowle G J, Stepanov D Y, Chieng Y T. Brillouin/erbium fiber lasers. J Lightwave Technol, 1997, 15(7): 1 198～1 204
6，Lim D S, Lee H K, Kim K H, et al. Generation of multiorder Stokes and anti-Stokes lines in a Brillouin erbium-fiber laser with a sagnac loop mirror. Opt Lett, 1998, 23(21): 1 671～1 673
7，Jepsen K S, Storkfelt N, Vaa M, et al. Polarization dependence of linewidth enhancement factor in InGaAs/InGaAsP MQW material. IEEE J Quantum Electron, 1994, 30(3): 635～639

多波长布里渊掺铒光纤激光器是一种新型的多波长光纤激光器，其原理是利用受激布里渊增益和掺铒光纤的线性增益，可以在常温下得到波长间隔约为0．08nm(～10GHz)的多波长输出。报道的布里渊掺铒光纤激光器，在布里渊抽运功率为1．7mW、980nm抽运功率为300mW的情况下得到稳定的15个波长(间隔～10GHz)的输出，这种激光器用作光传感器、光谱分析仪以及密集波分复用系统的光源。实验发现，输出波长的个数随着980nm抽运功率的增大而增加。另外，布里渊掺铒光纤激光器的信号功率主要来自于掺铒光纤的增益，而布里渊增益对它的影响不大。

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[3]张新亮 张颖 孙军强 刘德明 黄德修.基于SOA和级联取样光纤光栅的多波长激光器[J].物理学报,2003,52(9):2159-2164,..
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找了些，下面有些参考文献网上能搜索到一些
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