封面| 三波长、可切换、全光纤单纵模掺铥激光器

作者：秦齐 冯亭 延凤平

封面| 王伟利, 延凤平, 张鲁娜. 基于多通道FP-FBG的波长可切换单纵模掺铥光纤激光器[J]. 中国激光, 2021, 48(21): 2101001

【封面解读】

封面体现了基于窄带滤波器和复合腔选模协同作用的，波长可切换的单频掺铥光纤激光器基本原理。主要包含简化后的实验装置图、光纤激光器输出光谱以及电谱图。通过改变施加在窄带滤波器上的应力可以实现三个波长的精确可切换输出，在主环腔中引入子环腔，可以进一步保证三个输出波长均工作在单纵模（SLM）状态。

图中下半部分为激光器原理图，右侧不用颜色的光谱代表了位于不同输出位置的激光波长，中间悬浮起来的六面体其中三面显示了对应于三个输出波长的电谱图，剩余三面为空白，暗示着进一步研究方向是实现可精确切换，输出更多波长的单纵模掺铥光纤激光器。

研究背景

工作在人眼安全范围2.0 μm波段的掺铥光纤激光器（TDFL）是产生3~5 μm中红外激光的重要泵浦源，在空间光通信、气体传感和检测、激光手术刀等领域具有广阔的应用前景。

与传统半导体激光器相比，单纵模光纤激光器具有更优异的功率稳定性，调制幅度不随调制频率变化。波长可切换光纤激光器因其输出激光波长的可调性和灵活性，在波分复用系统、传感网络和光通信网络中具有很大的应用价值。因此，有必要对单纵模掺铥光纤激光器的性能进行进一步研究和优化。

实现光纤激光器单纵模输出的方法有饱和吸收体法、复合腔法、滤波器法、短腔选模法等。不同类型的复合腔结构是现在的研究热点之一。在主腔中加入子环形腔，可有效地增大纵模间隔，而且环形腔还具有结构简单、可调谐性良好、泵浦效率较高等优点。

北京交通大学延凤平教授课题组报道了一种基于复合腔选模和窄带滤波的三波长可切换单纵模掺铥光纤激光器。在室温条件下，该激光器可以实现可切换的单纵模、高稳定性、超高光信噪比输出。该研究成果在空间光通信领域中具有重要的应用价值。

创新工作

本研究首先利用光纤光栅耦合模理论和传输矩阵法对法布里珀罗-光纤光栅(FP-FBG)滤波器进行了理论分析和仿真计算，分析FP-FBG滤波器传输特性随参数变化的情况，仿真得到的FP-FBG滤波器透射谱具有三个中心波长，分别为1939.91 nm、1940 nm和1940.9 nm，对应窄带滤波通道的3 dB带宽约为0.015 nm、0.002 nm和0.015 nm。

在仿真基础上，利用相位掩模法实验制作了光纤布拉格光栅（FBG）和FP-FBG滤波器，实验所得FBG的中心波长为1941.45 nm，3 dB带宽为0.11 nm，光栅反射率约为97%；FP-FBG滤波器的透射谱中有三个中心波长分别为1941.48 nm、1941.57 nm和1941.65 nm，且3 dB带宽分别为0.06 nm、0.054 nm和0.066 nm的窄带滤波通道。光纤布拉格光栅的中心波长通过平移台与FP-FBG滤波器的三个传输通道的中心波长相匹配，如图1所示。

图1 FBG的反射光谱和FP-FBGs的透射光谱

基于实验制作的FP-FBG滤波器和8字子腔，课题组提出了一种环形复合腔结构的波长可切换单纵模掺铥光纤激光器，如图2所示。

图2 波长可切换单纵模光纤光纤激光器

通过调整应力调整架拉伸FBG，与FP-FBG滤波器的三个传输通道的中心波长相匹配，实现不同激光波长的切换，并且可以抑制大部分纵模，输出三个不同波长的激光。

两个50:50耦合器形成一个8字形子腔，有效地增加了纵模间隔，使FP-FBG滤波器的每个通道获得SLM激光。偏振控制器平衡腔内信号的增益和损耗，使输出光信号稳定且具有较高的光信噪比。90:10耦合器的10%端口用于输出激光，90%端口与主腔相连。通过合理调整每个谐振腔的长度，实现了该激光器的单纵模输出。

室温24℃，泵浦源功率为2.34 W时，得到3个波长可切换的单纵模（SLM）激光输出，中心波长分别为1941.48 nm、1941.57 nm和1941.65 nm，分别具有61 dB、61 dB和60 dB的光信噪比，其阈值功率为1.68 W，在连续50 min的稳定性测量中，TDFL输出功率的抖动分别小于0.39 dB、0.61 dB和0.55 dB，波长波动均小于0.01 nm，小于光谱仪的最小分辨率0.05 nm，同时用频谱分析仪观察该激光器的输出，可以看出该激光器稳定工作在单纵模状态。

结论与展望

本文利用设计的多通道FP-FBG滤波器，在2.0 μm波段实现了3个波长可切换的SLM激光输出，且光纤光栅滤波器损耗小。与其它结构TDFL相比，该激光器无损耗较大的元器件，更易于实现灵活精确的可切换激光输出。

虽然课题组搭建的掺铥光纤激光器工作在单纵模状态，但是未对单纵模激光的线宽进行准确测量，因此需要更深一步地研究单纵模光纤激光器线宽的精确测量方法，并有效地测量输出激光线宽，以及进一步提高激光器的输出功率和输出波长数量。

课题组简介：

北京交通大学延凤平教授课题组长期致力于特种光纤制备、光纤激光器、光纤传感器、以及电磁超材料的基础理论和应用研究工作。近年来，团队承担了多项科技部“863”、“973”项目，国家自然科学基金面上项目、国际（地区）合作与交流和重大科研仪器研制等项目，发表高水平学术论文200余篇，出版学术专著两部，授权专利50余项。实验室科研设备齐全，研究氛围浓厚，热烈欢迎国内外科研院所、高校以及相关企业开展合作交流。