可调谐超稳定窄带宽光纤激光器

可调谐超稳定窄带宽光纤激光器

李子强;吕辉

【摘 要】介绍了一种基于商用掺铒光纤放大器、光纤布拉格光栅和可变光衰减器

的可调谐、超稳定、窄带宽光纤激光器的实现方案及性能。研究结果表明，该光纤

激光器的输出功率稳定性好(1 h之内的稳定度<0.92%)，线宽窄(<52 pm)，边模

抑制比高(约30 dB)，调谐范围超过20 nm。整个系统不仅可以用作窄带宽光纤激

光器，还可以作为宽带自发辐射输出光源和掺铒光纤放大器，且该系统易于实现，

很容易在普通实验室里搭建。%This paper introduces the performances of an

ultrastable tunable narrow-band fiber lar and its implementation

on the commercially available Er-doped fiber amplifier,fiber

Bragg grating and variable optical attenuator,this fiber lar has high

output power stability (<0.92% within one hour),narrow linewidth (<52

pm),high sidemode suppres-sion ratio (~30 dB)and large tunable range

(over 20 nm).The entire system can not only be ud as a narrowband fiber

lar but also as a wideband amplified spontaneous emission light source

and an Er-doped fiber rmore,this system can be easily

realized in an ordinary laboratory.

【期刊名称】《光通信研究》

【年(卷),期】2014(000)004

【总页数】3页(P61-63)

【关键词】光纤激光器;特定激光系统设计;激光光谱学

【作 者】李子强;吕辉

【作者单位】湖北工业大学 理学院，武汉 430068;湖北工业大学 理学院，武汉

430068

【正文语种】中 文

【中图分类】TN256

0 引 言

窄带宽光纤激光器在连续太赫兹波生成、微波光子、光通信、高分辨率光谱学和光

传感领域都有潜在的应用前景［1－5］，因此成为研究热点。与窄带宽DFB（分

布反馈）激光器［6，7］、放大的 ASE（自发辐射）光源［8］和 QCL（量子级

联激光器）［9］相比，窄带宽光纤激光器具有突出的优势，例如可在室温条件下

工作、搭建简单、波长稳定、调谐范围宽以及成本低。但对于光纤激光器，其输出

功率的稳定性是非常关键的问题，它主要取决于铒离子增益介质在室温下具有的很

强的均匀加宽特性；另一个问题是多模振荡，它会导致输出光谱不纯。为了获得稳

定的激光输出，必须采用有效的方式来抑制模式竞争，例如利用掺铒光纤的PHB

（偏振烧孔效应）［10］。由于光谱的纯度和带宽主要取决于滤波带宽，所以选

择一个窄带宽的光滤波器是非常重要的。为了获得窄带宽的激光输出，一种理想的

方式是在激光谐振腔内加入窄带宽FBG（光纤布拉格光栅）或级联FBG滤波器来

作为波长选择器。

1 实验原理及方案

在本文中，我们展示了一种基于商用EDFA（掺铒光纤放大器）（无锡市中兴光电

子技术有限公司生产的 WZEDFA－SO－P－S－0－1－4）、FBG（深圳华光衍射

科技有限公司生产的FBG－1560）以及VOA（可变光衰减器）的超稳定、窄带宽

光纤激光器，这种结构在普通实验室里非常容易搭建。此外，我们还证实了这种光

纤激光器的输出功率稳定性好（1h之内的变化范围为0.92%）、线宽窄（＜

52pm）、SMSR（边模抑制比）高（约30dB），且调谐范围超过20nm。整个

系统不仅可以用作可调谐窄带宽光纤激光器，还可以作为宽带ASE输出光源和

EDFA。

EDFA通常在光纤光学系统中作为光放大器。图1展示了EDFA铒离子增益介质的

三级能带图。图中，1、2和3能带分别表示基态、亚稳态和激发态。980nm的

泵浦光使基态铒离子激发，最终在亚稳态上聚集了很多铒离子。信号光通过增益介

质时，会因为亚稳态铒离子的受激发射而得到放大，如图1（a）所示；同时，亚

稳态铒离子在没有信号光通过时，会自发辐射到达基态，如图1（b）所示。ASE

光在谐振腔中来回反射，就形成了一个宽谱ASE光源。当在谐振腔中加入一些光

损耗元件，例如FBG和VOA时，可以得到一个窄带宽单波长激光器，这主要得

益于激光谐振腔的构成。

图1 铒离子增益介质的三级能带图

图2所示为一个光纤环形激光器方案，即窄带光纤激光器的实验装置示意图。其

中，FBG的滤波带宽为52pm，中心波长为1 560.130nm。FBG将96%的1

560.130nm信号光滤出，从OC（光环行器）的端口3输出，而将剩余的4%信

号光和其他自发辐射产生的光发射回OC中振荡。考虑到ASE光放大后产生的寄

生振荡，我们加入了一个VOA，并设置一个很大的衰减值来抑制寄生振荡。另一

方面，为了防止OC中的反馈光进入EDFA，在EDFA和OC之间加入一个隔离度

为65dB的ISO（光隔离器）。

图2 窄带光纤激光器的实验装置示意图

2 实验结果

利用日本横河电机株式会社生产的AQ6370B OSA并通过VOA调节光衰减量，

可测得该窄带宽光纤激光器的输出光谱特性，如图3所示。

图3 窄带光纤激光器的输出特性

从图中可知，激光输出波长为1 560.130nm，3dB线宽（Δλ3dB ）为51.8pm，

SMSR为30.34dB。由于多模振荡引起功率消耗，导致激光器输出光功率低于－

35dBm。为了抑制多模振荡，我们没有利用PHB，而是在环行腔中将VOA的衰

减量调节到很大。此外，通过在该系统的输出端口再加入一个EDFA或SOA（半

导体光放大器），可以提升激光器的输出功率。

为了测量该激光器的输出功率稳定度，我们利用OSA每5min记录一次其输出功

率值，总记录时间为50min，测量结果如图4所示。设Pmax、Pmin和

Paverage分别为最大、最小和平均输出功率，根据功率稳定度的定义（Pmax－

Pmin）／Paverage可以运用简单的算术运算得到50min内的功率稳定度为

0.92%。图4中功率值的微小抖动主要是由EDFA和OSA受温度变化影响造成的。

图4 输出功率稳定度的实验数据

通过将激光器腔内的FBG替换成具有不同滤波波长的多个FBG，可以得到可调谐

的窄带宽光纤激光器。这里我们做的改变是将激光器腔内的FBG替换为3个FBG，

即FBG1、FBG2和FBG3，其中心波长分别为1 549.56、1 560.13和1

570.54nm，3个FBG的滤波带宽均约为52pm。图5所示为20nm调谐带宽的

实验曲线。图中，曲线1、2和3分别为窄带光纤激光器使用FBG1、FBG2和

FBG3时的输出波长。可以看到本实验实现了从1 549.56到1 570.54nm超过

20nm的调谐范围。

图5 20nm调谐带宽的实验曲线

在实验中很容易得到一个宽带的放大ASE谱，如图6所示。这是因为腔内的FBG

被移除了，而且OC被一个输出功率比为95∶5的光耦合器代替（95是输出比

例）。所以这里非常重要的是需要调整VOA的衰减程度，防止系统受到来自ASE

的破坏。一般来说，VOA的衰减值必须首先设置为最大值，然后直到开始出现

ASE谱时才逐渐减小。

图6 ASE光源的实验曲线

3 结束语

本文研究了一种基于商用EDFA、FBG和VOA的超稳定、可调谐、窄带宽光纤激

光器。这种窄带宽光纤激光器可以很容易地在一个公共实验室实现。已证明这种光

纤激光器具有高功率稳定性（1h之内的变化范围为0.92%）、窄线宽（52pm）、

大SMSR（约30dB）和超过20nm的可调谐范围的特点。该激光器系统不仅可以

用作可调谐窄带宽光纤激光器，还可以作为宽带ASE源和EDFA器件应用于光通

信、太赫兹波产生、微波光子学和高分辨率光谱。最近，研究人员又成功设计和制

作出一种基于FBG的具有650MHz（等同于5.2pm）3dB带宽的超窄全光纤光滤

波器［11］，这使得超窄带宽光纤激光器在未来成为可能。

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