劉 艷 汪磊石 陶沛琳 馮素春 尹國路 任文華 譚中偉 簡水生

(北京交通大學(xué)光波技術(shù)研究所，全光網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)(2010年3月11日收到;2010年4月20日收到修改稿)

波長可調(diào)諧取樣光纖光柵激光器的輸出特性研究*

劉 艷?汪磊石 陶沛琳 馮素春 尹國路 任文華 譚中偉 簡水生

(北京交通大學(xué)光波技術(shù)研究所，全光網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)(2010年3月11日收到;2010年4月20日收到修改稿)

建立了具有兩個(gè)取樣周期略有不同的取樣光纖光柵反射鏡的Vernier波長調(diào)諧機(jī)制的光纖分布布拉格反射式激光器的數(shù)值仿真模型，對激光器的輸出特性進(jìn)行了分析.研究了激光器輸出特性隨著激光器前后光柵反射鏡波長以及前后光柵反射鏡反射率的變化關(guān)系.提出了對兩取樣光柵反射率的優(yōu)化配置方案，可以使輸出激光的邊模抑制比有所提高;同時(shí)對波長調(diào)節(jié)方式也進(jìn)行了探討;進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

取樣光纖光柵，光纖激光器，波長可調(diào)諧激光器

PACS:42.55.Wd，42.60.－ v，42.60.Lh

1.引 言

波長可調(diào)諧激光器以其輸出激光波長具有靈活可調(diào)性等優(yōu)點(diǎn)，在密集波分復(fù)用(dense wavelength divison multip lexing，DWDM)以及光纖傳感等應(yīng)用領(lǐng)域中備受青睞，是近年來的研究熱點(diǎn)［1—5］.取樣光柵具有波長間隔均勻的多個(gè)反射峰，而且制作方法簡單，常被用于激光器中作為反射腔鏡［6］.以兩個(gè)取樣周期略有差別的取樣光柵作為反射腔鏡構(gòu)成的分布布拉格反射(distributed Bragg reflection，DBR)式波長可調(diào)諧激光器是近年來出現(xiàn)的一種很吸引人的激光器結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于，由于兩取樣周期不同的取樣光柵的反射峰波長間隔是不相同的，通過對兩取樣光柵取樣周期的合理選取，可以實(shí)現(xiàn)兩光柵的多個(gè)反射峰之間只有一對反射峰波長相對應(yīng)，從而可以只在該波長處輸出激光，而由于兩光柵各反射峰的波長之間是交錯(cuò)的，所以當(dāng)微調(diào)其中一個(gè)取樣光柵的反射波長之后，可以使波長相距較遠(yuǎn)處的另一對反射峰波長相對應(yīng)，從而使激光器的輸出波長獲得較大的波長調(diào)諧量，其波長調(diào)諧機(jī)理類似于游標(biāo)卡尺的原理［7］.雖然目前基于這種結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)有了商業(yè)化的產(chǎn)品，但對于利用全光纖結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)該波長調(diào)諧機(jī)理的研究還比較少，特別是相應(yīng)波長調(diào)節(jié)特性的理論及仿真分析的工作尚未見報(bào)道.而由于光纖激光器［8，9］具有的與光纖的良好兼容性并且易于制作等優(yōu)點(diǎn)，基于光纖結(jié)構(gòu)的此類激光器也有著良好的應(yīng)用前景［10，11］，因此對其深入研究也是十分必要的.

本文中建立了具有兩個(gè)取樣光纖光柵反射腔鏡的光纖DBR激光器的數(shù)值仿真模型，并利用模型對激光器的輸出特性進(jìn)行了分析.由于取樣光纖光柵的多波長反射特性，這種激光器的輸出邊模抑制比(SMSR)通常會(huì)下降比較嚴(yán)重，通過仿真分析，本文提出了對兩取樣光纖光柵反射率的優(yōu)化配置方案，可以使輸出激光的邊模抑制比有所提高;同時(shí)對波長調(diào)節(jié)方式也進(jìn)行了探討;對這種激光器的實(shí)施方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

2.激光器的數(shù)值仿真與分析

2.1.激光器的結(jié)構(gòu)簡介

本文所研究的波長可調(diào)諧激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.其中SG1為光柵前鏡，而SG2為光 柵后鏡.

圖1 可選波長光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖 SG:取樣光柵，EDF:摻鉺光纖

2.2.激光器的數(shù)值仿真方法

對于這種結(jié)構(gòu)激光器的仿真與傳統(tǒng)線性腔激光器的仿真類似，不同點(diǎn)是激光諧振腔的反射鏡為具有多個(gè)反射峰的取樣光纖光柵.下面簡要介紹本文采用的激光器的數(shù)值仿真方法，重點(diǎn)闡述的是摻鉺光纖放大特性的仿真以及考慮光柵的反射作用后激光器的仿真過程.

僅考慮光信號(hào)在摻鉺光纖中單向傳輸?shù)倪^程時(shí)，速率方程理論是研究摻鉺光纖放大特性的基本理論之一.可以采用速率方程來描述鉺離子上下能級(jí)間粒子的受激吸收、受激輻射和自發(fā)輻射，并采用光傳輸方程來描述摻鉺光纖中的光強(qiáng)分布.對應(yīng)于鉺離子二能級(jí)系統(tǒng)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)比N2以及第k束光通過摻鉺光纖的傳輸方程可以表示為［12，13］:

如果同時(shí)考慮摻鉺光纖在放大過程中產(chǎn)生的前向和后向 ASE，由于后向 ASE噪聲不能預(yù)先確定，所以上述方程不能直接用四階 Runge-Kutta法求解，可以采用具有兩端邊值的松弛迭代法進(jìn)行求解.

以上是對激光器中摻鉺光纖放大特性的仿真，對于本文研究的這種激光器，利用取樣光纖光柵作為反射腔鏡且作為選頻元件，其邊界條件為(如圖2所示)

其中0和L分別對應(yīng)于激光諧振腔的兩端，R1(λ)，R2(λ)分別是光柵前鏡 SG1和光柵后鏡 SG2在所考察波長處的反射率.

圖2 DBR結(jié)構(gòu)摻鉺光纖激光器的邊界條件示意圖

對此類激光器進(jìn)行仿真時(shí)，可采用如下方法:

圖3中給出了利用上述方法仿真得到的激光器輸出激光的光譜圖，從圖中可以看出與普通DBR激光器相比，此類激光器會(huì)有比較多的邊瓣，邊瓣的存在會(huì)使激光器的邊模抑制比下降，這些邊瓣是由摻鉺光纖產(chǎn)生的后向ASE被取樣光纖光柵前鏡反射至輸出端口所致.

4)再重復(fù)第2步過程，反復(fù)循環(huán)計(jì)算，直至前后兩次誤差小于設(shè)定誤差即可，所監(jiān)視參數(shù)可以是激光腔內(nèi)前后向功率，也可以是每次循環(huán)后得到的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)比N2;

2.3.激光器輸出特性的仿真與分析

這種激光器的激光輸出特性及激光波長的調(diào)諧特性受到很多因素的影響，如取樣光纖光柵的反射率，取樣波長間隔，前后取樣光纖光柵的波長間隔差，或者取樣光纖光柵的取樣周期差等等.下面對激光器的輸出特性在這些因素影響下的變化規(guī)律進(jìn)行分析.

圖3 仿真得到的激光器輸出激光光譜圖

圖4 取樣周期不同的兩組取樣光柵 (a)M=0.182，(b)M=0.584

圖5 分別利用圖4所示取樣光柵作為激光器腔鏡獲得的激光輸出波長隨光柵波長的調(diào)諧特性 (a)對應(yīng)圖4(a)，(b)對應(yīng)圖4(b)

通過改變光柵前鏡和后鏡的反射波長，可以仿真獲得激光器的輸出功率、SMSR以及輸出波長隨著光柵反射波長的變化關(guān)系，也即在對激光器進(jìn)行波長調(diào)諧時(shí)可以獲得的激光器輸出變化的動(dòng)態(tài)過程.本文對比研究了激光器的光柵腔鏡具有不同反射特性的兩種情況，光柵的反射譜分別如圖4(a)和(b)所示.從圖5中可以看出，后鏡光柵的波長變化范圍為0.8 nm時(shí)，激光器的輸出波長就可以獲得約8 nm的波長調(diào)諧量，激光器的波長調(diào)諧能力正是因?yàn)閂ernier調(diào)諧機(jī)理的引入而得到大幅提高;另外，對比圖5(a)和(b)中波長變化的階梯狀趨勢可以看出，以同樣的光柵波長調(diào)諧量，圖5(b)所對應(yīng)的激光器可以獲得更多波長的激光輸出，主要是因?yàn)橄啾扔趫D5(a)，圖5(b)所對應(yīng)的激光器中前后鏡光柵組的反射波長在很大的波長范圍內(nèi)都沒有第二對波長相對應(yīng)，所以在對光柵的波長進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的時(shí)候，在很大波長范圍內(nèi)都不會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)波長的激光，可以利用前后鏡光柵反射波長間隔的最小公倍數(shù)M來對這種波長的調(diào)諧能力做簡單衡量，如圖4(a)對應(yīng)的 M約為0.182，而圖4(b)對應(yīng)的M約為0.584.圖6中給出了相應(yīng)波長調(diào)諧量對應(yīng)的激光輸出的功率特性.

圖6 分別利用圖4所示取樣光柵作為激光器腔鏡獲得的激光輸出功率隨光柵波長的調(diào)諧特性 (a)對應(yīng)圖4(a)，(b)對應(yīng)圖4(b)

圖7 激光器邊模抑制比(SMSR)及輸出功率隨前后光柵腔鏡反射率的變化 (a)激光器SMSR隨前后光柵腔鏡反射率的變化關(guān)系，(b)激光器輸出功率隨前后光柵腔鏡反射率的變化關(guān)系

通過改變前鏡光柵和后鏡光柵的反射率，可以獲得激光器SMSR以及輸出功率隨光柵反射率的變化關(guān)系，如圖7所示，圖中的反射率值為取樣光柵的最大反射率.對比圖7中(a)和(b)兩圖可以看出，在圖中所考察的反射率范圍內(nèi)(R1>0.88，R2>0.62)，當(dāng)兩光柵的反射率都較高時(shí)，激光器可以獲得較大的輸出功率以及較大的SMSR，但是隨著R1以及R2增大到一定程度，激光器SMSR增大的趨勢將會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn).R1不變，R2增大到一定程度后，會(huì)使激光器的輸出功率下降，所以SMSR減小，而R2不變，R1增大到一定程度后，由于光柵前鏡對摻鉺光纖上產(chǎn)生的后向ASE的反射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致激光器的邊模功率增加，所以SMSR也會(huì)減小，此特點(diǎn)是這種激光器明顯不同于普通DBR激光器之處，也是在設(shè)計(jì)此類激光器時(shí)必須要考慮的因素之一.

3.實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的取樣光柵是采用取樣掩模板加相位掩模板在氫載光纖上通過紫外曝光寫入的.所制作的前鏡光柵以及后鏡光柵的反射譜如圖8所示，反射峰之間的波長間隔分別約為0.79和0.41 nm.采用固定后鏡光柵波長，調(diào)諧前鏡光柵波長的方式可以較容易地實(shí)現(xiàn)波長的準(zhǔn)連續(xù)調(diào)節(jié)，獲得十幾個(gè)波長的激光輸出，其中一個(gè)波長的激光光譜以及多波長的激光光譜分別如圖9所示.激光波長的最小間隔與后鏡光柵反射峰的波長間隔基本一致，約為0.41 nm.前鏡光柵的波長調(diào)諧由軸向拉力控制裝置手動(dòng)調(diào)諧實(shí)現(xiàn).不過，通過仔細(xì)觀察圖10也可以發(fā)現(xiàn)，輸出各波長激光的波長間隔不是嚴(yán)格一致，存在一定的偏差，究其原因是現(xiàn)有波長調(diào)諧裝置不夠理想，調(diào)諧前鏡光柵時(shí)的波長調(diào)諧精度不夠高，使激光未能形成于前鏡和后鏡兩光柵反射率都為最高的波長處，如能引入更為精密的光柵波長調(diào)諧裝置，則結(jié)果有望進(jìn)一步改進(jìn).同時(shí)，各波長激光輸出功率的均衡度也有待提高，均衡度的不理想可以主要?dú)w因于取樣光柵各反射峰的反射率均衡度不夠理想，如能采用類似于相位取樣光纖光柵［14］的反射率更為均衡的取樣光纖光柵，則這一特性參數(shù)將得到有效提高.

圖8 光柵反射譜 (a)前鏡光柵反射譜，(b)后鏡光柵的反射譜

圖9 實(shí)驗(yàn)得到的其中一個(gè)激光的光譜

圖10 實(shí)驗(yàn)得到的13個(gè)波長的激光光譜

如果要實(shí)現(xiàn)激光器波長的連續(xù)調(diào)諧，或者為了充分利用取樣光柵中反射率較高的中間的幾個(gè)反射峰來獲得功率較高的激光輸出時(shí)，也可以采用同時(shí)調(diào)節(jié)前后端取樣光柵的方法，從而獲得一定波長范圍內(nèi)任意波長位置處的激光輸出，而且各波長激光輸出功率的均衡度也會(huì)有所改善.如果對激光器的波長調(diào)諧速度也有較高要求，可以采用電磁調(diào)諧或壓電陶瓷調(diào)諧［15］等電控自動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)快速的波長調(diào)諧及波長切換.

4.結(jié) 論

建立了具有兩個(gè)取樣周期略有不同的取樣光纖光柵反射鏡的Vernier波長調(diào)諧機(jī)理的光纖DBR激光器的數(shù)值仿真模型，對激光器的輸出特性以及波長調(diào)諧特性進(jìn)行了分析.提出了對兩取樣光柵反射率的優(yōu)化配置方案，可以使輸出激光的邊模抑制比有所提高;同時(shí)對波長調(diào)節(jié)方式也進(jìn)行了探討;并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種激光器可以利用光柵的較小調(diào)諧量獲得很大的激光波長調(diào)諧量，同時(shí)，通過對光柵波長調(diào)節(jié)方式的優(yōu)化，既可以實(shí)現(xiàn)波長的連續(xù)調(diào)節(jié)，又可以實(shí)現(xiàn)波長的準(zhǔn)連續(xù)調(diào)節(jié)，十分靈活.

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PACS:42.55.Wd，42.60.－ v，42.60.Lh

Output characteristics of wavelength tunable fiber lasers based on sampled Bragg gratings*

Liu Yan?Wang Lei-Shi Tao Pei-Lin Feng Su-Chun Yin Guo-Lu Ren Wen-Hua Tan Zhong-Wei Jian Shui-Sheng
1)(Key Laboratory of All Optical Network and Advanced Telecommunication Network of Ministry of Education，Institute of Lightwave Technology，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)(Received 11 March 2010;revised manuscript received 20 April 2010)

A simulation model of the fiber DBR(distributed Bragg reflector)laser with two sampled Bragg gratings(SBGs)as reflectors is established，with which the characteristics of the laser are analyzed in detail.The analysismainly focuses on the change of the laser output characteristics with the wavelength and reflectivity of the front and back sampled fiber gratings.Because of themulti-channel reflection of SBGs，the sidemode of such laser is always very obvious.Themethod for improving the SMSR(side mode suppression ratio)is suggested.And the wavelength tuning mechanism is also studied.Experiment has been carried out to confirm the analysis.

sampled fiber grating，fiber laser，wavelength tunable laser

*國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):60707007)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2010CB328206)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2008AA01Z215)資助的課題.

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60707007)，the National Basic Research Program of China(Grant No.2010CB328206)and the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2008AA01Z215).