----翻譯自Shien-Kuei Liaw于2024年發(fā)表的論文

摘要
本研究提出了一種高質(zhì)量的光纖環(huán)形激光器，該激光器通過集成半導(dǎo)體光放大器SOA以及四個(gè)子環(huán)諧振器產(chǎn)生ASE，并利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)器效應(yīng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為400mA時(shí)，激光器在一小時(shí)的測(cè)試期間表現(xiàn)出0.204 dB的最大功率偏差和0.012nm的波長偏差。此外，利用延遲自外差測(cè)量系統(tǒng)，我們測(cè)量了自制光纖激光器的線寬為23 kHz。

關(guān)鍵詞：
SOA，NPR效應(yīng)，窄線寬光纖激光器，環(huán)形激光器

1.簡介
隨著激光技術(shù)的發(fā)展及其在各種高精度行業(yè)的應(yīng)用，穩(wěn)定的單縱模SLM窄線寬激光器變得至關(guān)重要。窄線寬1064nm激光器在各種應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，包括高分辨率光譜測(cè)量、原子和分子實(shí)驗(yàn)、精密測(cè)量以及衛(wèi)星和分子光通信 [1–5]，它的獨(dú)特特性使其成為一種強(qiáng)大的工具，為科技進(jìn)步做出了重大貢獻(xiàn) [6-7]。

近年來，研究人員采用了短線性腔和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)來抑制激光線寬和模式。目前，實(shí)現(xiàn) 單縱模光纖激光器的方法主要根據(jù)腔結(jié)構(gòu)分為三類：線性腔、環(huán)形腔和復(fù)合腔。線性腔結(jié)構(gòu)主要集中在兩種單頻短腔結(jié)構(gòu)上：分布式布拉格反射器和分布式反饋[8]。短直腔結(jié)構(gòu)的腔長較短，靈活性較低 [9-10]。另一方面，環(huán)形腔單頻光纖激光器為將濾波器件插入諧振器以獲得 單縱模振蕩提供了更大的靈活性和便利性。較長的腔長增強(qiáng)了光纖激光諧振器的 Q 因子，導(dǎo)致更窄的線寬輸出 [11， 12]，并且光纖散射已被用于抑制多縱模MLM現(xiàn)象 [13]。此外，馬赫-曾德爾干涉儀原理已被用于抑制模式[14]，非線性偏振旋轉(zhuǎn)NPR 效應(yīng)已被用于穩(wěn)定和平衡可調(diào)諧波長激光器的輸出，從而產(chǎn)生單模光纖激光器。在這些方法中，由于其簡單性和成本效益，采用復(fù)合環(huán)方案已成為抑制環(huán)形激光器中多縱模的一種特別有效的方法。多縱模 是指激光腔支持多縱?；虿ㄩL同時(shí)振蕩的情況。多縱模模式作可能由于腔體設(shè)計(jì)、激光介質(zhì)的增益特性和外部影響 [15]等因素而產(chǎn)生，例如，溫度波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)或激光介質(zhì)增益曲線的變化會(huì)導(dǎo)致多種模式共存 [16]。

本文介紹了一種1064nm窄線寬激光器，該激光器利用半導(dǎo)體光放大器SOA作為放大自發(fā)發(fā)射ASE源，并與四子環(huán)諧振器集成，這是一種用于窄線寬的高質(zhì)量光纖環(huán)形激光器。因此，實(shí)驗(yàn)評(píng)估了功率轉(zhuǎn)換效率、輸出功率穩(wěn)定性和波長穩(wěn)定性。使用延遲自外差測(cè)量系統(tǒng) DSHMS，測(cè)得了23 kHz 的光纖激光器線寬。據(jù)我們所知，這是第一次使用平行子環(huán)腔方法研究窄線寬。

2. 實(shí)驗(yàn)裝置和原理
所提出的光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置由幾個(gè)關(guān)鍵部件組成，如圖 1 所示。其中包括一個(gè)的Q Photonics 的SOA（譯者注：天津見合八方已推出多款1060nm高增益SOA半導(dǎo)體光放大器），波長1063.92nm ，帶寬為 0.1nm，反射率為 99.13%的光纖光柵FBG。此外，該裝置還包括一個(gè)光環(huán)行器、兩個(gè)偏振控制器PC、一個(gè)1×2光耦合器OC1和三個(gè)2×2光耦合器（OC2、OC3和OC4），分光比分別為50/50。為了增強(qiáng)配置，還包括一個(gè)隔離器ISO和偏振相關(guān)隔離器PDI。

圖 1. 窄線寬光纖激光器系統(tǒng)。SOA半導(dǎo)體光放大器；FBG光纖布拉格光柵；OC光耦合器；PC偏振控制器；PDI，偏振相關(guān)隔離器。

為了構(gòu)建窄線寬光纖激光器，我們選擇了1064nm的寬譜SOA（譯者注：天津見合八方提供多款1060nm SOA）。圖2顯示了偏置電流為100mA時(shí)半導(dǎo)體光放大器的ASE光譜圖，中心波長和3dB譜寬分別為 1053nm 和26nm（譯者注：天津見合八方1060nm SOA 的ASE 3dB譜寬可達(dá)50nm）。隨后，我們使用了光環(huán)行器，以讓光穿過FBG，同時(shí)，它將返回端口3以獲得某些特定的反射波長。因此，所需的信號(hào)將進(jìn)入FBG，而不需要的信號(hào)（反射信號(hào)）將通過具有 90：10比率耦合器的光耦合器。此外，10%的光被設(shè)計(jì)為輸出，而剩余的90%被重定向回子環(huán)腔，繼續(xù)能量的振蕩和積累。

圖2. 偏置電流為100mA 時(shí)半導(dǎo)體光放大器的光譜圖

同時(shí)，四個(gè)子環(huán)諧振器插入在NPR和OC1之間。這些諧振器由三個(gè)2×2光耦合器（OC2、OC3和OC4）組成，每個(gè)光耦合器具有50：50的分光比。因此，這些光耦合器通過單模光纖SMF相互連接，每個(gè)環(huán)的SMF長度不同。事實(shí)上，環(huán)1、環(huán)2、環(huán)3 和環(huán)4分別設(shè)置為 2.49m、1.47m、1.49m 和 2.47 m。FBG帶寬和主腔的縱模間距會(huì)導(dǎo)致光纖長度的差異。然而，每個(gè)環(huán)對(duì)應(yīng)不同的諧振模式，并以其獨(dú)特的顏色來區(qū)分，其中環(huán)1（紅線）、環(huán)2（綠線）、環(huán)3（藍(lán)線）和環(huán)4（灰線）。之后，來自O(shè)C1的90%信號(hào)進(jìn)入OC2。隨后，50%的輸出光束被引導(dǎo)到NPR機(jī)構(gòu)進(jìn)行偏振調(diào)整，此外，剩余的50%的光能耦合到四個(gè)子環(huán)諧振器中，用作輸出。激光模式僅在同步滿足環(huán)1、環(huán)2、環(huán)3 和環(huán)4的諧振條件的頻率上振蕩。

另一方面，我們嘗試使用NPR結(jié)構(gòu)來提高系統(tǒng)性能，它由兩臺(tái)PC和一個(gè)PDI組成，PC和PDI用于生成NPR效應(yīng) [17]。如圖 1 所示，綠色部分說明了利用 NPR 效應(yīng)來減輕 SOA中均勻增益展寬引起的模式競爭，光纖激光器中的 NPR 可以減輕導(dǎo)致光纖激光器不穩(wěn)定的光學(xué)非線性效應(yīng)，此外，NPR用于控制偏振態(tài)以增強(qiáng)激光相干性。雖然穩(wěn)定性和線寬在光通信中至關(guān)重要，但使用NPR可以實(shí)現(xiàn)更高精度和可靠性的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。如果沒有NPR，則控制偏振態(tài)和減少非線性效應(yīng)更具挑戰(zhàn)性，這可能會(huì)導(dǎo)致輸出功率不穩(wěn)定。其中，游標(biāo)效應(yīng)通過PDI的作用，通過NPR結(jié)構(gòu)的光變成線偏光。NPR效應(yīng)是指光束的偏振方向在非線性光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)或改變的現(xiàn)象，這可以使用 PC 或其他可調(diào)諧的非線性偏振擾動(dòng)組件進(jìn)行控制和調(diào)整，在實(shí)踐中，NPR 的方向和大小會(huì)影響光束的強(qiáng)度、材料的非線性偏振系數(shù)和光束的傳播方向。通常，NPR效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度與光束的強(qiáng)度成正比，并且隨著光束強(qiáng)度的增加而增加。NPR效應(yīng)在光學(xué)組件和光通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

此外，我們實(shí)驗(yàn)中的有效折射率為1.46，我們分別獲得了82.52MHz、139.79MHz、137.91MHz和83.19MHz的FSR值。如果要根據(jù)游標(biāo)效應(yīng)計(jì)算四子環(huán)諧振器的有效FSR可以使用公式（1）：

FSRe = m1FSR1+m2FSR2+m3FSR3+m4FSR4(1)

在這里，整數(shù) m1、m2、m3 和 m4 表示對(duì)應(yīng)于 FSR 值的系數(shù)。通過利用游標(biāo)效應(yīng) [18]，我們可以為四個(gè)子環(huán)諧振器實(shí)現(xiàn)71GHz的寬有效自由光譜范圍（FSRe）。該值是通過分別計(jì)算 FSR1、FSR2、FSR3 和 FSR4 的最小公數(shù)來確定的，換句話說，激光模式被限制在由這四個(gè)環(huán)的同步諧振條件決定的特定頻率范圍內(nèi)。其中光纖激光器中的游標(biāo)效應(yīng)是通過兩個(gè)或多個(gè)光纖腔的縱模干涉來實(shí)現(xiàn)窄線寬。對(duì)腔體長度進(jìn)行精確調(diào)諧，確保通過相干增強(qiáng)特定頻率，從而產(chǎn)生穩(wěn)定而窄的線寬激光發(fā)射。實(shí)驗(yàn)裝置包括四個(gè)光腔，每個(gè)光纖腔都支持不同的縱模，在這種配置中，一個(gè)腔的縱模與其他腔部分重疊，導(dǎo)致建設(shè)性（增強(qiáng)特定頻率）或破壞性（抵消其他）干擾，因此，由來自每個(gè)腔的模式組合產(chǎn)生的干涉圖樣可以導(dǎo)致一組高度精細(xì)的光頻率。通過仔細(xì)調(diào)整游標(biāo)效應(yīng)，系統(tǒng)選擇性地增強(qiáng)和抑制頻率，從而在激光輸出中允許額外的窄線寬。這種精確的調(diào)諧可以提高激光輸出的穩(wěn)定性和精度，使光纖激光器在單縱模中運(yùn)行。

因此，四子環(huán)諧振器可以有效地充當(dāng)高效的模式濾波器，以抑制密集的多縱模振蕩，與直接串聯(lián)三個(gè)OC相比，這種方法更節(jié)省空間，并有助于增加FSRe。這確保了只有一個(gè)通帶在FBG的3dB帶寬內(nèi)，通過游標(biāo)效應(yīng)有效地減少了振蕩模式，并促進(jìn)了單縱模的選擇。提出的四子環(huán)解析器允許激光輸出從多模過渡到單縱模，縱模間隔約為15MHz。FBG的3dB帶寬為～0.1nm，對(duì)應(yīng)于1064nm處～26.5GHz的寬頻帶寬，由于使用了四個(gè)子環(huán)諧振器，可以顯著減少縱向模式的數(shù)量。

圖3提供了兩個(gè)圖：一個(gè)是延遲自外差線寬測(cè)量設(shè)置框圖，另一個(gè)是實(shí)驗(yàn)設(shè)置環(huán)境。使用DSHMS延遲自外差測(cè)量裝置評(píng)估這激光器單縱模狀態(tài)和線寬 [19]，該裝置是光通信和光譜儀中常用的一種技術(shù)，用于分析光信號(hào)的頻率特性。在這種方法中，單個(gè)激光源產(chǎn)生連續(xù)波光信號(hào)，然后將該信號(hào)分成兩條路徑，一條作為參考，另一條作為原始信號(hào)的延遲版本。該系統(tǒng)由馬赫-曾德爾干涉儀、100 MHz的聲光調(diào)制器 AOM和 25km的SMF組成，使用光電探測(cè)器PD進(jìn)行測(cè)量，并使用頻譜分析儀（ESA、RIGOL DSA3015）分析數(shù)據(jù)。

圖 3.（a）延遲自外差測(cè)量系統(tǒng) （b）實(shí)驗(yàn)設(shè)置環(huán)境：VOA可變光衰減器；AOM聲光調(diào)制器；PD光電探測(cè)器；ESA頻譜分析儀；SMF單模光纖

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
如圖4所示，激光輸出與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系圖：（a）說明泵浦功率、輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，以及（b）顯示輸出光信噪比OSNR。在圖4a中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流范圍為200–400mA時(shí)，功率轉(zhuǎn)換效率基本保持在28.6%。同時(shí)，圖 4b顯示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到 400 mA 時(shí)，輸出OSNR 穩(wěn)定在60dB。在圖4b中，輸出光譜的穩(wěn)定性測(cè)試在一小時(shí)內(nèi)以5分鐘的間隔進(jìn)行。據(jù)觀察，光譜的變化很小，波長保持在1064nm左右，OSN 保持在大約 60 dB。

圖 4.激光輸出：（a） 功率和轉(zhuǎn)換效率（b）OSNR

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的激光器的高穩(wěn)定性，我們使用光功率計(jì)（分辨率為0.001 dBm）和光譜分析儀（分辨率為0.003 nm）進(jìn)行了測(cè)量，以研究在400mA驅(qū)動(dòng)電流下輸出功率和激光波長的變化。如圖5所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置為400mA時(shí)，在60分鐘的持續(xù)時(shí)間內(nèi)每兩分鐘測(cè)得的輸出功率和波長波動(dòng)分別為 0.204dB 和0.012nm。

圖 5.輸出功率和波長在60分鐘內(nèi)的穩(wěn)定性，間隔為2分鐘。

在圖6a中，在沒有四個(gè)子環(huán)諧振器的延遲自外差測(cè)試裝置DSHMS測(cè)量中，0–200MHz 范圍內(nèi)平均峰值之間的頻率間隔約為15MHz，這對(duì)應(yīng)于中心腔中約13.69米的縱模間距長度。圖6b顯示了當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流固定為400mA時(shí)，在1GHz范圍內(nèi)以1MHz分辨率帶寬測(cè)得的射頻RF拍頻。除了來自AOM的固有100MHz移位信號(hào)外，觀察到無其他拍頻頻率，表明所建議的激光器在穩(wěn)定的單縱模中運(yùn)行。

圖6（a）沒帶四子環(huán)諧振器的0–200MHz跨度（b）帶四子環(huán)諧振器的0–1GHz跨度(譯者注：根據(jù)原文做了修改)

表1顯示了由環(huán)形腔構(gòu)建的光纖激光器系統(tǒng)與現(xiàn)有模型的比較概述，與以前發(fā)表的期刊相比，之前的激光波長為C或L波段，本實(shí)驗(yàn)在 1064nm處產(chǎn)生了窄線寬光源。與以前的出版物不同，本文展示了一種利用四環(huán)腔方案的基于SOA的光纖激光器，此外還使用NPR 增強(qiáng)了激光器的穩(wěn)定性。

最后，圖7顯示了線寬測(cè)試結(jié)果。線寬是通過將測(cè)量數(shù)據(jù)擬合到在有限長度內(nèi)的單縱模延遲線內(nèi)的洛倫茲曲線來獲得的，并且光譜在95-105MHz 的范圍內(nèi)測(cè)量。通過使用洛倫茲形狀來擬合測(cè)量數(shù)據(jù)，應(yīng)將半峰處顯示的全寬除以2以獲得正確的激光線寬。如圖所示，帶寬為46kHz，對(duì)應(yīng)于23kHz的激光線寬。

圖 7.激光器在 95至105 MHz頻率范圍內(nèi)的線寬測(cè)量。

4. 結(jié)論
在本文中，我們介紹了一種高質(zhì)量的光纖環(huán)形激光器，該激光器是通過將SOA與四子環(huán)諧振器組合，并利用了NPR效應(yīng)構(gòu)建的。為了實(shí)現(xiàn)單縱模作，我們通過布置四個(gè)不同長度的子環(huán)并利用游標(biāo)效應(yīng)來提高FSR。NPR用于減輕SOA中均勻增益展寬引起的模式競爭。通過偏振相關(guān)隔離器，光轉(zhuǎn)化為線性偏振光。隨后，我們測(cè)試了有和沒有子環(huán)的模態(tài)行為，我們觀察到添加子環(huán)會(huì)導(dǎo)致單縱模作。在驅(qū)動(dòng)電流為400mA的一小時(shí)測(cè)試期間，激光器表現(xiàn)出0.204dB的最大功率偏差和0.012nm的波長偏差。此外，通過使用延遲自外差測(cè)試裝置DSHMS，我們測(cè)量了國產(chǎn)激光器的線寬為23 kHz。

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審核編輯 黃宇