----翻译自Shien-Kuei Liaw于2024年发表的论文
摘要
本研究提出了一种高质量的光纤环形激光器，该激光器通过集成半导体光放大器SOA以及四个子环谐振器产生ASE，并利用非线性偏振旋转器效应，当驱动电流为400mA时，激光器在一小时的测试期间表现出0.204 dB的最大功率偏差和0.012nm的波长偏差。此外，利用延迟自外差测量系统，我们测量了自制光纤激光器的线宽为23 kHz。
关键词：
SOA，NPR效应，窄线宽光纤激光器，环形激光器
1.简介
随着激光技术的发展及其在各种高精度行业的应用，稳定的单纵模SLM窄线宽激光器变得至关重要。窄线宽1064nm激光器在各种应用中发挥着至关重要的作用，包括高分辨率光谱测量、原子和分子实验、精密测量以及卫星和分子光通信 [1--5]，它的独特特性使其成为一种强大的工具，为科技进步做出了重大贡献 [6-7]。
近年来，研究人员采用了短线性腔和环形腔结构来抑制激光线宽和模式。目前，实现 单纵模光纤激光器的方法主要根据腔结构分为三类：线性腔、环形腔和复合腔。线性腔结构主要集中在两种单频短腔结构上：分布式布拉格反射器和分布式反馈[8]。短直腔结构的腔长较短，灵活性较低 [9-10]。另一方面，环形腔单频光纤激光器为将滤波器件插入谐振器以获得 单纵模振荡提供了更大的灵活性和便利性。较长的腔长增强了光纤激光谐振器的 Q 因子，导致更窄的线宽输出 [11， 12]，并且光纤散射已被用于抑制多纵模MLM现象 [13]。此外，马赫-曾德尔干涉仪原理已被用于抑制模式[14]，非线性偏振旋转NPR 效应已被用于稳定和平衡可调谐波长激光器的输出，从而产生单模光纤激光器。在这些方法中，由于其简单性和成本效益，采用复合环方案已成为抑制环形激光器中多纵模的一种特别有效的方法。多纵模 是指激光腔支持多纵模或波长同时振荡的情况。多纵模模式作可能由于腔体设计、激光介质的增益特性和外部影响 [15]等因素而产生，例如，温度波动、机械振动或激光介质增益曲线的变化会导致多种模式共存 [16]。
本文介绍了一种1064nm窄线宽激光器，该激光器利用半导体光放大器SOA作为放大自发发射ASE源，并与四子环谐振器集成，这是一种用于窄线宽的高质量光纤环形激光器。因此，实验评估了功率转换效率、输出功率稳定性和波长稳定性。使用延迟自外差测量系统 DSHMS，测得了23 kHz 的光纤激光器线宽。据我们所知，这是第一次使用平行子环腔方法研究窄线宽。
2. 实验装置和原理
所提出的光纤激光器实验装置由几个关键部件组成，如图 1 所示。其中包括一个的Q Photonics 的SOA（译者注：天津见合八方已推出多款1060nm高增益SOA半导体光放大器），波长1063.92nm ，带宽为 0.1nm，反射率为 99.13%的光纤光栅FBG。此外，该装置还包括一个光环行器、两个偏振控制器PC、一个1×2光耦合器OC1和三个2×2光耦合器（OC2、OC3和OC4），分光比分别为50/50。为了增强配置，还包括一个隔离器ISO和偏振相关隔离器PDI。
图 1. 窄线宽光纤激光器系统。SOA半导体光放大器；FBG光纤布拉格光栅；OC光耦合器；PC偏振控制器；PDI，偏振相关隔离器。
为了构建窄线宽光纤激光器，我们选择了1064nm的宽谱SOA（译者注：天津见合八方提供多款1060nm SOA）。图2显示了偏置电流为100mA时半导体光放大器的ASE光谱图，中心波长和3dB谱宽分别为 1053nm 和26nm（译者注：天津见合八方1060nm SOA 的ASE 3dB谱宽可达50nm）。随后，我们使用了光环行器，以让光穿过FBG，同时，它将返回端口3以获得某些特定的反射波长。因此，所需的信号将进入FBG，而不需要的信号（反射信号）将通过具有 90：10比率耦合器的光耦合器。此外，10%的光被设计为输出，而剩余的90%被重定向回子环腔，继续能量的振荡和积累。
图2. 偏置电流为100mA 时半导体光放大器的光谱图
同时，四个子环谐振器插入在NPR和OC1之间。这些谐振器由三个2×2光耦合器（OC2、OC3和OC4）组成，每个光耦合器具有50：50的分光比。因此，这些光耦合器通过单模光纤SMF相互连接，每个环的SMF长度不同。事实上，环1、环2、环3 和环4分别设置为 2.49m、1.47m、1.49m 和 2.47 m。FBG带宽和主腔的纵模间距会导致光纤长度的差异。然而，每个环对应不同的谐振模式，并以其独特的颜色来区分，其中环1（红线）、环2（绿线）、环3（蓝线）和环4（灰线）。之后，来自OC1的90%信号进入OC2。随后，50%的输出光束被引导到NPR机构进行偏振调整，此外，剩余的50%的光能耦合到四个子环谐振器中，用作输出。激光模式仅在同步满足环1、环2、环3 和环4的谐振条件的频率上振荡。
另一方面，我们尝试使用NPR结构来提高系统性能，它由两台PC和一个PDI组成，PC和PDI用于生成NPR效应 [17]。如图 1 所示，绿色部分说明了利用 NPR 效应来减轻 SOA中均匀增益展宽引起的模式竞争，光纤激光器中的 NPR 可以减轻导致光纤激光器不稳定的光学非线性效应，此外，NPR用于控制偏振态以增强激光相干性。虽然稳定性和线宽在光通信中至关重要，但使用NPR可以实现更高精度和可靠性的数据传输任务。如果没有NPR，则控制偏振态和减少非线性效应更具挑战性，这可能会导致输出功率不稳定。其中，游标效应通过PDI的作用，通过NPR结构的光变成线偏光。NPR效应是指光束的偏振方向在非线性光学系统内发生旋转或改变的现象，这可以使用 PC 或其他可调谐的非线性偏振扰动组件进行控制和调整，在实践中，NPR 的方向和大小会影响光束的强度、材料的非线性偏振系数和光束的传播方向。通常，NPR效应的旋转角度与光束的强度成正比，并且随着光束强度的增加而增加。NPR效应在光学组件和光通信领域得到了广泛的应用。
此外，我们实验中的有效折射率为1.46，我们分别获得了82.52MHz、139.79MHz、137.91MHz和83.19MHz的FSR值。如果要根据游标效应计算四子环谐振器的有效FSR可以使用公式（1）：
FSRe = m1FSR1+m2FSR2+m3FSR3+m4FSR4(1)
在这里，整数 m1、m2、m3 和 m4 表示对应于 FSR 值的系数。通过利用游标效应 [18]，我们可以为四个子环谐振器实现71GHz的宽有效自由光谱范围（FSRe）。该值是通过分别计算 FSR1、FSR2、FSR3 和 FSR4 的最小公数来确定的，换句话说，激光模式被限制在由这四个环的同步谐振条件决定的特定频率范围内。其中光纤激光器中的游标效应是通过两个或多个光纤腔的纵模干涉来实现窄线宽。对腔体长度进行精确调谐，确保通过相干增强特定频率，从而产生稳定而窄的线宽激光发射。实验装置包括四个光腔，每个光纤腔都支持不同的纵模，在这种配置中，一个腔的纵模与其他腔部分重叠，导致建设性（增强特定频率）或破坏性（抵消其他）干扰，因此，由来自每个腔的模式组合产生的干涉图样可以导致一组高度精细的光频率。通过仔细调整游标效应，系统选择性地增强和抑制频率，从而在激光输出中允许额外的窄线宽。这种精确的调谐可以提高激光输出的稳定性和精度，使光纤激光器在单纵模中运行。
因此，四子环谐振器可以有效地充当高效的模式滤波器，以抑制密集的多纵模振荡，与直接串联三个OC相比，这种方法更节省空间，并有助于增加FSRe。这确保了只有一个通带在FBG的3dB带宽内，通过游标效应有效地减少了振荡模式，并促进了单纵模的选择。提出的四子环解析器允许激光输出从多模过渡到单纵模，纵模间隔约为15MHz。FBG的3dB带宽为∼0.1nm，对应于1064nm处∼26.5GHz的宽频带宽，由于使用了四个子环谐振器，可以显著减少纵向模式的数量。
图3提供了两个图：一个是延迟自外差线宽测量设置框图，另一个是实验设置环境。使用DSHMS延迟自外差测量装置评估这激光器单纵模状态和线宽 [19]，该装置是光通信和光谱仪中常用的一种技术，用于分析光信号的频率特性。在这种方法中，单个激光源产生连续波光信号，然后将该信号分成两条路径，一条作为参考，另一条作为原始信号的延迟版本。该系统由马赫-曾德尔干涉仪、100 MHz的声光调制器 AOM和 25km的SMF组成，使用光电探测器PD进行测量，并使用频谱分析仪（ESA、RIGOL DSA3015）分析数据。
图 3.（a）延迟自外差测量系统 （b）实验设置环境：VOA可变光衰减器；AOM声光调制器；PD光电探测器；ESA频谱分析仪；SMF单模光纤
3. 实验结果和讨论
如图4所示，激光输出与驱动电流的关系图：（a）说明泵浦功率、输出功率和转换效率，以及（b）显示输出光信噪比OSNR。在图4a中，当驱动电流范围为200--400mA时，功率转换效率基本保持在28.6%。同时，图 4b显示，当驱动电流达到 400 mA 时，输出OSNR 稳定在60dB。在图4b中，输出光谱的稳定性测试在一小时内以5分钟的间隔进行。据观察，光谱的变化很小，波长保持在1064nm左右，OSN 保持在大约 60 dB。
图 4.激光输出：（a） 功率和转换效率（b）OSNR
为了进一步验证所提出的激光器的高稳定性，我们使用光功率计（分辨率为0.001 dBm）和光谱分析仪（分辨率为0.003 nm）进行了测量，以研究在400mA驱动电流下输出功率和激光波长的变化。如图5所示，当驱动电流设置为400mA时，在60分钟的持续时间内每两分钟测得的输出功率和波长波动分别为 0.204dB 和0.012nm。
图 5.输出功率和波长在60分钟内的稳定性，间隔为2分钟。
在图6a中，在没有四个子环谐振器的延迟自外差测试装置DSHMS测量中，0--200MHz 范围内平均峰值之间的频率间隔约为15MHz，这对应于中心腔中约13.69米的纵模间距长度。图6b显示了当驱动电流固定为400mA时，在1GHz范围内以1MHz分辨率带宽测得的射频RF拍频。除了来自AOM的固有100MHz移位信号外，观察到无其他拍频频率，表明所建议的激光器在稳定的单纵模中运行。
图6（a）没带四子环谐振器的0--200MHz跨度（b）带四子环谐振器的0--1GHz跨度(译者注：根据原文做了修改)
表1显示了由环形腔构建的光纤激光器系统与现有模型的比较概述，与以前发表的期刊相比，之前的激光波长为C或L波段，本实验在 1064nm处产生了窄线宽光源。与以前的出版物不同，本文展示了一种利用四环腔方案的基于SOA的光纤激光器，此外还使用NPR 增强了激光器的稳定性。
表 1.本文与以前工作的比较
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| | [20] | [21] | [22] | [23] | [24] | 本文 |
| 时间 | 2019 | 2020 | 2021 | 2022 | 2024 | |
| 测量线宽 | ~1.84kHz | 586.4Hz | <310Hz | 50GHz | 623.1Hz | 23kHz |
| 波长( nm****)**** | 1530nm | 1549.76 | 1535.5-1612.19 | 1571.0 | 1551.6 | 1064 |
| 放大器 | EDF | EDF | EDF | EDF | EDF | SOA |
| 结构 | 单环腔 | 双环腔 | 单环腔 | 八环腔 | 四环腔 | 四环腔 |
最后，图7显示了线宽测试结果。线宽是通过将测量数据拟合到在有限长度内的单纵模延迟线内的洛伦兹曲线来获得的，并且光谱在95-105MHz 的范围内测量。通过使用洛伦兹形状来拟合测量数据，应将半峰处显示的全宽除以2以获得正确的激光线宽。如图所示，带宽为46kHz，对应于23kHz的激光线宽。
图 7.激光器在 95至105 MHz频率范围内的线宽测量。
4. 结论
在本文中，我们介绍了一种高质量的光纤环形激光器，该激光器是通过将SOA与四子环谐振器组合，并利用了NPR效应构建的。为了实现单纵模作，我们通过布置四个不同长度的子环并利用游标效应来提高FSR。NPR用于减轻SOA中均匀增益展宽引起的模式竞争。通过偏振相关隔离器，光转化为线性偏振光。随后，我们测试了有和没有子环的模态行为，我们观察到添加子环会导致单纵模作。在驱动电流为400mA的一小时测试期间，激光器表现出0.204dB的最大功率偏差和0.012nm的波长偏差。此外，通过使用延迟自外差测试装置DSHMS，我们测量了国产激光器的线宽为23 kHz。
参考文献
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