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可调谐光纤激光器研究

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《国际神经病学神经外科学杂志》2016年第3期

摘要:

研制了一台高速波长连续扫描光纤激光器。使用SOA作为增益介质,用高速可调谐法珀滤波器作为波长调谐器件,构成的环形腔激光器。测量结果表明,激光器的平均输出功率2.6mW,波长扫描范围40nm,波长扫描范围内功率波动范围小于±0.4dBm,线宽小于0.01nm,扫描速度达到2kHz。

关键词:

激光器;可调谐光纤激光器;可调谐法珀滤波器;半导体光放大器

0引言

在光纤通信、光纤传感、光学相干成像、光电检测领域,广泛使用到波长可调谐光源。在这些需求中,有的要求波长调谐只需要几个纳米,有的需要调谐几十甚至上百纳米。小范围的波长调谐可以比较容易实现,例如,通过光纤光栅,或者改变半导体激光器的工作温度或驱动电流[1],都可以实现波长的调谐。半导体技术的最新发展,已经有调谐范围达到40nm的半导体激光器了。但这种激光器的调谐不是连续调谐,而是步进式的调谐,例如每2GHz步进一步。而在测量与传感器领域,一般需要激光波长连续调谐。波长连续扫描可以通过扫描平面光栅[2]或棱镜[3]来调谐外腔式激光器的输出波长,但这种激光器需要在光学平台上实现,结构不稳定,也不便于移动。另外一种实现波长可大范围连续调谐的技术就是使用光纤可调谐法珀滤波器[4],这种器件小巧、坚固、可靠性高,一般扫描范围可以超过40nm,甚至达到100nm,并且扫描波长连续。所以光纤法珀可调谐滤波器广泛用在光纤通信、光纤传感、光学相干成像、光电检测领域,以实现波长扫描。对于波长扫描激光器,另一个要求就是扫描速度高。在很多应用场合,如光学相干成像,高速光纤光栅传感器等领域,需要高速、宽波长范围的扫描激光器,如超过1000Hz的高速扫描激光器。这一方面需要高速的可调谐法珀滤波器,另一方面,需要在高速扫描时,还要保证激光输出功率稳定。因为高速扫描时,要保证激光输出稳定,需要避免激光出现弛豫振荡。本文在选择高速可调谐法珀滤波器和利用半导体光放大器(SOA)基础上,研制出扫描频率超过2kHz的高速可调谐光纤激光器,得到了非常好的测试结果。

1原理

高速扫描的环形腔光纤激光器的结构如图1所示。用半导体光放大器(SOA)来作为增益介质,它是用电流泵浦来实现粒子数翻转。SOA使用In-Phenix公司的产品,工作波长在1550nm,偏振相关度为1dB,增益20dB。波长扫描器件使用北京理工大学研制的高速光纤法珀滤波器,该滤波器的自由光谱范围FSR=80nm,线宽0.15nm,精细度533,损耗1.5dB,工作波长范围超过200nm。该滤波器由压电陶瓷驱动,最高扫描速度超过2kHz,驱动电压13V/FSR,扫描电压位40V时可以得到3个完整的自由光谱范围。该光纤可调谐滤波器使用微透镜技术,在光纤的端面制作出微小的聚焦透镜,将从光纤端面输出的发散光汇聚后,形成高精细度的微腔,实现了高精细度和低损耗的光纤Fabry-Perot干涉仪。结合压电陶瓷微调谐技术,实现干涉仪的大范围调谐。实际测试了滤波器的特性,其透射光谱如图2所示。图2(a)是光谱仪扫描范围为200nm时的透射光谱,可见该滤波器实际自由光谱范围是108nm。图2(b)扫描了1576nm波长上这个透射峰的光谱,扫描范围5nm,测得线宽0.16nm,可知该滤波器的实际精细度是675。峰值位置的透射率是74%,对应损耗1.3dB。另外实际测得扫描一个FSR的电压是12V。性能满足该激光器的需求。由于SOA的增益范围宽,而粒子数反转时的在亚稳态的时间很短,使得SOA易于同时激发出多个波长的激光。为了避免产生多个波长,图1的环路中加入了带通滤波器,带通滤波器的波长范围为1527~1567nm,虽然使激光器的波长扫描范围变窄了,但在1527~1567nm波长范围内只有一个波长的激光输出,而在此波长范围外,没有激光输出。激光器是环形腔结构,工作原理如下:SOA在外加电流的泵浦下,在前向和后向两个方向都有自发辐射光。用两个隔离器分别放置在SOA两端,使激光振荡沿反时针方向,而禁止顺时针方向的光振荡。只有在滤波器的输出波长上,且位于带通滤波器的通带以内的光才能在环形器中谐振,输出激光,而其它波长的光都被抑制了。当可调谐滤波器扫描时,在带通滤波器范围内,就会连续扫描激光的输出波长。激光输出通过80:20耦合器的20%端口输出。

2测试结果

系统搭建完成后,首先测试激光器的静态输出光谱,此时在滤波器上外加直流偏压。光谱仪使用横河公司AQ6237,分辨率设置为最高的0.01nm。在滤波器外加不同的直流电压时,得到不同的激光输出。图3分别是激光器在不同输出波长时的光谱,激光输出波长分别是1527nm,1534nm,1544nm,和1563nm。可以看到,在纵坐标设为每格10dBm时,光谱也非常光滑,3dB带宽小于0.01nm,已经超出了光谱仪的测量分辨率,且是单纵模。在这4个波长上的光功率分别是2.3dBm,2.4dBm,2.8dBm,和3.0dBm,平均输出功率2.6mW。功率波动范围小于±0.4dBm。为了测试扫描激光器的动态特性,需要在滤波器上外加一锯齿波电压,在线性电压加上滤波器后,滤波器就开始扫描,连续输出1527nm~1567nm的波长扫描激光。若电压扫描范围宽,就可以获得不同FSR范围内的激光输出,由于每个滤波器的FSR有80nm,而带通滤波器的波长范围限制了激光器的波长扫描范围只有40nm,所以在两个FSR间,有一段空白的波长没有激光输出。测试的系统如图4所示,将波长扫描激光器的输出外接到一只法珀标准具,标准具的输出接光电探测器PIN和放大器,放大器的输出采集进计算机或送入示波器显示。在扫描频率分别是1kHz和2kHz时,示波器输出的信号分别如图5和图6所示。每个图中,(a)是在扫描时外加锯齿波波形和标准具的输出。由于商用的信号发生器的信号幅度范围只有20V,扫描波形中看到的,在锯齿波上升沿是前一个FSR的尾部,中间一段间隔,然后是下一个FSR的头部。有信号一段是在带通滤波器的通带内,没有信号输出的部分是滤波器虽然在扫描,但不在带通滤波器的通带范围内。在锯齿波的下降沿,滤波器的扫描波长反过来,因此所的到的光谱信号与上升沿得到的对称。每个图中,(b)是将示波器时间坐标拉开后看到的标准具的输出信号,波长间隔0.8nm,精细度位7的标准具光谱波形被清晰的显示出来。即使在扫描频率达到2kHz时还完整的扫描出标准具的光谱。但在2kHz时,标准具的输出波形有变形,这是由于频率高了后,放大器的滤波电容积分效应造成的信号拖尾产生的。

3结论

本文研制了一台高速波长连续扫描的光纤激光器。使用SOA作为增益介质,用高速可调谐法珀滤波器作为波长调谐器件,构成的环形腔激光器。静态测量测试结果表明,平均输出功率2.6mW。功率波动范围小于±0.4dBm,线宽小于0.01nm,波长扫描范围40nm。动态测量结果表明,扫描速度达到2kHz还能够很好的工作。这种激光器能够应用到高速光纤传感器和光纤相干成像技术领域。

参考文献:

[4]江毅,唐才杰.光纤Fabry-Perot干涉仪:原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2009.

作者:黄邦菊 单位:中国民航飞行学院空中交通管理学院

光学技术杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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