頻率間隔可切換多波長隨機光纖激光器

楊茜，周澤中，張祖興

（南京郵電大學 電子與光學工程學院 先進光子技術實驗室，南京 210023）

0 引言

自2010 年分布反饋式隨機光纖激光器［1］的結構被提出以來，隨機分布反饋的光纖激光器因具有高功率［2-3］、多波長［4］、可調諧［5-7］和窄線寬［8］等突出優勢，在高功率［9］、寬譜發射［10-11］、低相干性［12］等多類型新光源探索方面具有廣闊的發展前景。不同于傳統光纖激光器具有確切的反饋諧振腔鏡，隨機光纖激光器沒有傳統意義上界限明確的諧振腔結構，而是依靠光纖內的隨機散射來進行光反饋。根據反饋類型，隨機光纖激光器可分為基于瑞利散射的分布反饋隨機光纖激光器［1］、填充型隨機光纖激光器［12-13］和基于隨機光柵的隨機光纖激光器［14-15］。然而，填充型隨機光纖激光器因需要特種空芯光纖、合適的增益及散射介質填充，具有結構復雜、腔損耗大、輸出激光效率低、實用化程度低等缺點。另一種基于隨機光柵的隨機光纖激光器由于輸出光譜具有強模式競爭導致輸出功率、效率低且光譜不穩定。為了克服上述隨機光纖激光器帶來的問題，基于瑞利散射分布反饋的隨機光纖激光器因具有高平穩的窄帶連續無模譜輸出、非線性功率展寬、簡單結構、體積小且成本低等突出優勢，被國內外學者廣泛研究。

近年來，關于隨機光纖激光器的多項研究報道中，廣泛地應用了受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）與受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）等非線性效應，并利用基于瑞利散射（Rayleigh Scattering，RS）所形成的隨機分布式反饋以實現多波長級聯輸出。SONEE S R 等［16］提出了一種由11 km 長的色散補償光纖和25 km 長大模場面積光纖的組合提供增益的多波長布里淵-拉曼隨機光纖激光器，一端輸出端增加反射鏡將偶數階斯托克斯線和泵浦光反射回空腔，實現了光信噪比均勻且信道間隔約為10 GHz 的多波長信道輸出。WU H 等［17］通過在多波長布里淵-拉曼隨機光纖激光器泵浦側增加一個高反射率的反射環鏡，克服了相鄰信道之間功率水平和線寬的差異，獲得了平均信噪比為13.5 dB 的210 階信道間隔約為10 GHz 的多波長信道。雖然多波長布里淵-拉曼隨機光纖激光器通常在信道之間有10 GHz 的間距，但激光腔也可以通過配置不同結構來獲得不同的波長間隔。MAMDOOHI G 等［18］提出了一種全開腔布里淵-拉曼多波長隨機光纖激光器結構，以雙氧化鉍摻鉺光纖（Bi-EDF）作為增益介質，在11 km 色散補償光纖內實現了平均信噪比為26 dB 的195 階信道間隔約為20 GHz 的多波長信道輸出。許磊等［19］研究發現，在全開腔結構上加入一段4 m 的摻鉺光纖，可以優化雙倍布里淵頻移間隔的多波長信道的邊模抑制比，即從14 dB 提高至20 dB。MEI J 等［20］進一步提高全開腔布里淵-拉曼多波長隨機光纖激光器的性能，將摻鉺光纖放大器與單模光纖結合在一側，進行隨機激光再生，實現了對光譜平整度和邊摸抑制比的改善。

上述多波長布里淵-拉曼隨機光纖激光器中，瑞利散射（RS）是誘導級聯受激布里淵散射（SBS）的關鍵，多波長斯托克斯線（Brillouin Stocks Line，BSL）的產生是SBS、RS、SRS 在高拉曼泵浦（Raman Bump，RP）功率下結合的結果。然而，上述多波長激光器的結構是剛性的，輸出光譜中相鄰BSLs 只能有單倍布里淵頻移間隔或雙倍布里淵頻移間隔。因此一個具有可調頻率間隔的單一多波長布里淵-拉曼隨機光纖激光器值得深入探索。

已有研究表明半開腔布里淵-拉曼隨機光纖激光腔可以產生信道間隔約為單倍布里淵頻移間距的多波長隨機激光［16-17］，全開腔結構可以產生信道間隔約為雙倍布里淵頻移間距的多波長隨機激光［18-20］。本文提出一種頻率間隔可切換的多波長布里淵-拉曼隨機光纖激光器，其頻率間隔可切換功能是通過調控半開腔一側反射環中的可調衰減器的衰減大小，即控制反射光的功率變化實現的?；诖?，當可調衰減器衰減較小時（-2 dB），此時大部分的偶數階斯托克斯光和剩余泵浦光被反射回激光腔中，繼續參與級聯，該激光器實際為半開腔結構，獲得帶寬39 nm（1 532～1 571 nm）、單倍布里淵頻移間隔（10.48 GHz）的多波長信道，此時光信噪比為17.2 dB。當可調諧衰減器衰減較大時（-30 dB），此時偶數階斯托克斯光從右端輸出口輸出，不會返回到激光腔中，該激光器等效為雙開腔結構，獲得帶寬39.5 nm（1 532～1 571.5 nm）、雙倍布里淵頻移間隔（20.96 GHz）的多波長信道，此時光信噪比為25.2 dB。該結構相比其他頻率間隔可切換多波長光纖激光器具有結構簡單、信道帶寬更寬等優點。

1 激光器結構及工作原理

基于腔損耗調控的頻率間隔可切換多波長布里淵-拉曼隨機光纖激光器的結構如圖1。該隨機光纖激光器結構由一個拉曼光纖放大器以及兩個個反射環組成，其中放大器由一個波分復用器（WDM）、拉曼泵浦RP（OS8147-850-1455，工作波長為1 455 nm）和色散補償光纖（DCF）組成。長度7 km 的DCF（DCF 與SMF 在1 550 nm 處熔接后的總插入損耗約為5.6 dB）作為布里淵和拉曼混合非線性增益介質，與單模光纖（SMF）或非零色散光纖（NZ-DSF）相比，其有效面積更小，可以為多波長布里淵-拉曼光纖激光器提供更高的增益。實驗結構中，理論計算得到DCF 的布里淵頻移為11.28 GHz，除了利用受激布里淵散射效應產生級聯斯托克斯線外，還充當隨機分布反射鏡，即基于后向弱瑞利散射形成分布式激光反射。反射環1 由環形器（Cir3）端口3 與端口1 相連構成，使得從DCF 出來的剩余沒被吸收的RP 能夠返回腔內，繼續對布里淵泵浦（BP）和BSL 進行拉曼放大，提高RP 的利用效率。反射環2 由環形器（Cir2）端口3 與端口1 間連接一個可調衰減器構成，通過控制可調衰減器的衰減大小，使激光器結構在半開腔與全開腔之間切換，從而調控所產生多波長信道的頻率間隔和光信噪比。在環形器（Cir1）端口3 連接一個分辨率0.02 nm 的光譜分析儀（OSA，AQ6370D）來測量激光器的性能以及多波長輸出的光譜。

圖1 基于腔損耗調控的頻率間隔可切換多波長布里淵-拉曼隨機光纖激光器結構Fig.1 Structure of frequency interval switchable multi-wavelength Brillouin-Raman random fiber laser based on cavity loss regulation

該激光器工作原理：采用半導體可調諧激光源（AQ2200-136，線寬為200 kHz）作為BP，波長調諧范圍為970～1 680 nm，通過可調諧衰減器調整注入激光腔的信號功率，功率調諧范圍為-60～6 dBm。BP 信號通過環形器（Cir1）端口1 注入激光腔，經過1 455/1 550 nm 的波分復用器（WDM）與1 455 nm RP 信號結合。RP 在DCF 中產生分布式拉曼效應，對BP 進行拉曼放大。當BP 信號功率達到受激布里淵散射閾值時，將產生反向傳播的一階布里淵斯托克斯線（BSL）。類似地，低階BSL 將作為高階BSL 的泵浦源產生更多的高階BSL，這樣的級聯過程一直持續到某一階的放大BSL 受到拉曼放大效率的限制，而不能達到下一階的SBS閾值時停止。另一個波分復用器連接反射環1，用于將剩余沒被吸收RP 功率反射回腔內，提高RP 的利用效率。在該激光器結構中，向右傳播的偶數階BSLs 通過反射環2 反射回光纖中，與向左傳播的奇數階BSLs結合，共同從環形器（Cir1）端口3 處輸出，形成單倍布里淵頻率間隔的多波長BSLs。因此通過控制反射環中可調諧衰減器衰減大小，可以精確控制進入腔內的反射信號的功率，形成頻率間隔可切換、信噪比可調的多波長信道輸出。

2 實驗結果及討論

2.1 反射環的表征

圖2 為反射環2 的細節圖，它由一個環形器（Cir2）以及一個可調諧衰減器構成。采用光功率計（OPM）測量通過可調諧衰減器前的入射功率以及通過衰減器后的出射功率。環形器可以阻止任何不需要的反向反射光，確保收集到的數據具有高的準確性。測量通過環形器（Cir2）端口3 輸出的偶數階斯托克斯線光功率記為入射光功率，再測量繼續經過可調諧衰減器后的光功率記為輸出功率，通過比較兩處功率損失，可以得出反射環中衰減器的衰減大小。

圖2 反射環2 細節Fig.2 Detailed for the reflective ring 2

圖3 為選取BP 波長為1 535 nm，功率為4 dBm，RP 功率為29.2 dBm 情況下，輸出光譜及其相鄰斯托克斯線之間峰值功率差（PPD）隨反射環2 中可調衰減器的衰減大小變化關系圖。由圖3（b）可知，當衰減0 dB 到-3 dB 時，向右傳播的偶數階BSLs 大部分通過反射環2 反射回光纖中，與向左傳播的奇數階BSLs結合并同向傳播，激光器產生具有單倍布里淵頻移間隔的斯托克斯線，此時輸出光譜不平整度小于3 dB，即產生了10.48 GHz 頻率間隔的BSLs（考慮到理論計算中有效折射率以及聲學速度取值為近似值帶來的誤差，該單倍布里淵頻移間隔值與理論值有一些偏差）。繼續增加衰減，相鄰斯托克斯線之間的峰值功率差增大。當衰減-3 dB 到-30 dB 時，相鄰斯托克斯線頻率間隔處于由單倍布里淵頻移間距向雙倍布里淵頻移間距過渡區間，此時相鄰斯托克斯線之間峰值功率差處于3 dB 至20 dB 之間。當衰減-30 dB 到-65 dB時，激光器產生具有雙倍布里淵頻移間隔的斯托克斯線，此時僅有偶數階斯托克斯的瑞利反射分量與奇數階BSLs 同向傳播，相鄰斯托克斯線之間的峰值功率＞20 dB，即產生20.96 GHz 頻率間隔的BSLs?？梢?，通過調節可調衰減器的衰減大小，從而精確控制進入腔內的反射信號的功率，可以使激光器結構在半開腔與全開腔之間切換，形成頻率間隔可切換、信噪比可調的多波長信道輸出。

圖3 BSLs 之間的PPD 隨衰減器衰減變化的函數關系Fig.3 PPD of the BSLs as a function of attenuation of the attenuator

2.2 BP 波長及功率對多波長輸出的影響

為了說明BP 波長（本結構中，輸出光譜可以在1 532 nm 到1 570 nm 之間調諧）對多波長斯托克斯線輸出的影響，固定BP 功率為4 dBm，RP 功率為29.2 dBm，在不同的BP 波長下測量多波長布里淵-拉曼隨機光纖激光器的輸出。圖4（a）為在BP 波長分別為1 535 nm、1 545 nm、1 555 nm 以及1 565 nm 的情況下，得到的單倍布里淵頻移間隔多波長輸出，帶寬分別為36 nm、26 nm、16 nm、6 nm。圖4（b）為在上述不同BP 波長下得到的雙倍布里淵頻移間隔多波長輸出，帶寬分別為36.5 nm、26.5 nm、16.5 nm、6.5 nm。結果表明，在該結構下多波長信道的輸出帶寬隨BP 波長增大而減小。這是因為在較大波長處的拉曼增益較低，多通道的產生在長波長邊緣受到限制。因此，隨著BP 信號被調諧到更長的波長，斯托克斯線數量的產生會持續下降，帶寬降低。

圖4 不同BP 波長下得到的兩種具有不同布里淵頻移間隔的多波長輸出光譜Fig.4 Two multi-wavelength output spectra of different Brillouin frequency shift intervals at different BP wavelengths

如圖5 所示，進一步討論BP 功率對多波長輸出的影響，固定BP 波長為1 550 nm，RP 功率為29.2 dBm，將1 550 nm BP 功率從4 dBm 提高到6 dBm，此時單倍頻率間隔的多波長輸出光譜帶寬由20.2 nm 減小至19.5 nm，雙倍頻率間隔的多波長輸出光譜帶寬由21.6 nm 減小至20.6 nm。這是由于在較高BP 功率值下，光強增大，此時粒子受激輻射幾率下降導致增益趨于飽和（即此時發生了增益飽和），從而阻止了高階斯托克斯線的進一步放大。因此，多波長輸出帶寬隨著BP 功率的增加而減少。若進一步降低BP 功率至4 dBm以下，斯托克斯線對自激發模式抑制作用會減小，光譜的穩定性會變差且調諧范圍也將大大降低。因此在該激光結構中，選取BP 波長為1 532 nm，功率為4 dBm 時，多波長輸出在盡可能大的波長范圍內輸出更多的斯托克斯線。

圖5 不同BP 功率下得到的兩種具有不同布里淵頻移間隔的多波長輸出光譜Fig.5 Two multi-wavelength output spectra of different Brillouin frequency shift intervals at different BP power

2.3 最佳結果

在本結構中，考慮到產生的斯托克斯線數量與RP 功率成正比，且在29.2 dBm 處未達到飽和，因此RP選取最高功率29.2 dBm。圖6 為在最佳泵浦條件下的多波長輸出光譜，此時BP 波長為1 532 nm，功率為4 dBm，RP 功率為29.2 dBm。

如圖6，在最佳泵浦條件下，通過調控可調諧衰減器的衰減大小，實現了多波長斯托克斯線輸出間隔單雙倍布里淵頻移切換。當可調衰減器衰減-2 dB 時，該激光器實際為半開腔結構，此時大部分偶數階斯托克斯線被反射環2 反射回激光腔中，與奇數階斯托克斯線匯合同向傳輸，一起通過環形器（Cir1）端口3 被檢測，最終獲得帶寬39 nm（1 532～1 571 nm）、頻率間隔為10.48 GHz 的多波長光譜，此時光信噪比為17.2 dB。當可調衰減器衰減-30 dB 時，該激光器等效為全開腔結構，此時大部分偶數階斯托克斯線通過環形器（Cir2）端口3 輸出，不返回到腔中，僅有偶數階斯托克斯瑞利散射分量與奇數階斯托克斯線同向傳輸被檢測，最終獲得帶寬39.5 nm（1 532～1 571.5 nm）、頻率間隔約為20.96 GHz 的多波長光譜，此時光信噪比為25.2 dB。該結構相比其他頻率間隔可切換多波長光纖激光器具有結構簡單、信道帶寬更寬等優點。

圖6 最佳泵浦條件下得到的兩種具有不同布里淵頻移間隔的多波長輸出光譜及其細節Fig.6 Two multi-wavelength output spectra and their details of different Brillouin frequency shift intervals at optimized pumping condition

3 結論

提出了一種基于腔損耗調控的頻率間隔可切換多波長布里淵-拉曼隨機光纖激光器。該隨機光纖激光器基于瑞利散射所形成的隨機分布式反饋，結合受激布里淵散射、受激拉曼散射等非線性效應以實現多波長級聯輸出。通過控制反射環2 中的可調衰減器的衰減大小，腔結構在半開腔與全開腔之間切換，實現多波長斯托克斯線信道的頻率間隔切換和光信噪比可調。實驗結果表明，當可調衰減器衰減-2 dB 時，該激光器實際為半開腔結構，可獲得帶寬39 nm（1 532～1 571 nm）、單倍布里淵頻移間隔（10.48 GHz）的多波長信道，此時光信噪比為17.2 dB。當可調衰減器衰減-30 dB 時，該激光器等效為全開腔結構，可獲得帶寬39.5 nm（1 532～1 571.5 nm）、雙倍布里淵頻移間隔（20.96 GHz）的多波長信道，此時光信噪比為25.2 dB。該頻率間隔可切換、結構簡單的多波長隨機光纖激光器大大擴展了其在新光源探索領域應用的靈活性。