基于石英玻璃摻銩光纖的單縱模DBR光纖激光器的研制

陳雨君, 姚波, 劉昊煒, 魏珊珊, 毛慶和?

(1 中國科學技術大學環境科學與光電技術學院, 安徽 合肥 230026;2 中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所光子器件與材料安徽省重點實驗室, 安徽 合肥 230031)

0 引 言

2μm 波段單縱模、窄線寬光纖激光器在高分辨光譜[1]、大氣環境探測[2,3]、量子信息[4]以及非線性頻率變換[5]等領域具有重要應用,其主要有分布反饋(DFB)[6,7]、分布布拉格反射(DBR)[8,9]以及環形腔[10,11]等基本結構。其中,DBR 型結構具有單縱模運轉穩定、結構緊湊等優勢,應用最為廣泛[12]。早期,受石英玻璃單模摻銩光纖摻雜濃度低的限制,DBR 型2μm 波段單縱模光纖激光器中均采用雙包層增益光纖[13,14],與DBR 腔中光纖Bragg 光柵(FBG)之間難以實現高效耦合,造成了泵浦閾值高、泵浦功率高、轉換效率低等問題。為此,人們通過采用多組分玻璃光纖技術來提升單模摻銩光纖的摻雜濃度,進而使得允許采用單模摻銩光纖來構建2μm 波段DBR 單縱模光纖激光器,降低了對泵浦功率的要求,轉換效率也獲得了明顯提升[15]。但是,多組分玻璃光纖存在與傳統石英玻璃光纖熔接損耗大、熔接點機械強度差等不足,制約了多組分玻璃單模摻銩光纖激光器的實際應用。近年來,基于石英玻璃基質的單模摻銩光纖的摻雜濃度已得到了很大提高,793 nm 和1610 nm 泵浦帶的吸收已分別可達27 dB/m 和16 dB/m[16],這使人們又重新采用這種石英玻璃單模摻銩光纖來構建2μm 波段DBR 單縱模光纖激光器。2021 年,Zhang 等[17]采用196 mW 的786 nm 半導體激光器泵浦,基于石英玻璃的單模摻銩光纖構建了1989 nm 處輸出功率達13 mW 的DBR 單縱模光纖激光器。盡管如此,這類摻銩光纖激光器依然存在泵浦閾值偏高、泵浦效率偏低等缺點,特別是具有頻率調諧功能的單縱模光纖激光器還未見報道。

本文報道了一種具有頻率調諧功能的2μm 波段DBR 型單縱模光纖激光器。采用石英玻璃單模摻銩光纖和793 nm 半導體激光器泵浦源,通過兩次封裝和TEC 精密溫控將所有光電器件集成在1U 標準機箱內,構成了激光器樣機。該樣機可通過內置壓電陶瓷(PZT)實現對激光頻率的快速調諧,還可通過TEC 精密溫控實現對激光頻率的大范圍調諧,單縱模運轉輸出功率為18.2 mW,泵浦轉換效率為27%。

1 激光器結構

圖1(a)為所設計研制的2μm 波段DBR 型單縱模光纖激光器結構示意圖。所用增益光纖為石英玻璃單模摻銩光纖(TDSF),其數值孔徑、纖芯直徑和吸收系數分別為0.24、5.5μm 和900 dB/m@793 nm。該TDSF 兩端分別與具有不同反射特性的一對FBGs 相熔接,構成DBR 型光纖諧振腔。其中,高反射率FBG(HR-FBG)的中心波長、反射率、3 dB 帶寬和柵區長度分別為1942.7 nm、99.9%、0.33 nm 和30 mm,由與增益光纖模場相匹配的石英單模光纖刻寫而成;低反射率FBG(LR-FBG)由保偏單模匹配光纖刻寫,用作激光耦合輸出,其反射率、3 dB 帶寬和柵區長度分別為70%、0.07 nm 和25 mm。由于雙折射效應,該LR-FBG 快慢軸反射中心波長不同,通過將慢軸中心波長選擇為1942.675 nm,使其處在HR-FBG反射帶的邊緣,就可使得LR-FBG 快軸反射波長處在HR-FBG 反射帶之外,進而構建出線偏振DBR 光纖諧振腔[18]?；谶@種光纖諧振腔特性,為了保證激光器的單縱模運轉穩定并且輸出功率盡可能地高,優化后的TDSF 長度為1.4 cm。該DBR 光纖激光器由帶單模尾纖的最高輸出功率為105 mW 的793 nm激光二極管(LD)經保偏波分復用器(PM-WDM)泵浦,產生的線偏振單縱模激光經1950 nm 保偏隔離器(PM-ISO)后輸出,HR-FBG 尾部切割成斜8?,以抑制寄生振蕩、提高穩定性。為實現對單縱模激光的頻率調諧功能,采用環氧樹脂膠將壓電陶瓷(PZT)粘接在增益光纖側面,通過電控拉伸PZT,調節DBR 腔長,對激光頻率進行快速調諧。同時,通過物理接觸的導熱封裝將構成激光器的光纖及其器件固定在黃銅熱沉盒中,再將黃銅盒二次封裝在聚四氟乙烯(PTFE)絕熱盒內[如圖1(b)],這樣,通過半導體制冷器(TEC)就可對二次封裝盒內的黃銅熱沉進行精密溫控,進而實現對激光頻率的大范圍溫度調諧。值得指出的是,這種二次封裝技術和精密溫度控制可有效抑制外部環境擾動對激光器單縱模運轉的影響,有利于提升激光器的工作穩定性[19]。最后,采用光電分離封裝方案,以減小電學模塊產熱和散熱為準則,將激光器光學和電學部分集成在1U 標準機箱中,集成樣機具備PZT 調諧端口以及控制溫度、泵浦的通信端口,集成樣機照片如圖1(c)所示。

圖1 (a)2μm DBR 單縱模光纖激光器結構示意圖;(b)激光器PTFE 絕熱封裝實物照片;(c)激光器集成樣機照片Fig.1 (a)Structure diagram of the 2μm DBR single-longitudinal-mode fiber laser;(b)Photo of laser packaged by PTFE;(c)Photo of the laser prototype

2 測試結果與討論

采用兩次封裝的光纖激光器在輔以精密溫控后測得的單縱模運轉狀態極其穩定。圖2 為利用自由光譜范圍為1.5 GHz、精細度為250 的F-P 掃描干涉儀(Thorlabs,SA200-18B)測得的激光器在25?C 控制溫度下輸出單縱模激光特性?？梢?激光器輸出為單個縱模,并且,在提升泵浦功率或改變TEC 控制溫度的過程中,激光器均能保持穩定的單縱模運轉。不僅如此,實驗測得輸出的單縱模激光為線偏振激光,偏振度高達24 dB。

圖2 利用F-P 掃描干涉儀測得的光纖激光器單縱模激光特性Fig.2 Single-longitudinal-mode laser characteristics of the fiber laser measured by F-P scanning interferometer

圖3(a)為在25?C 溫度控制下測得的輸出激光功率隨泵浦功率的變化?？梢?激光器的泵浦閾值低至38 mW,這得益于在激光器制作過程中,通過優化熔接參數有效降低了熔接點損耗,使得腔損耗也隨之減小。當泵浦功率為105 mW 時,輸出功率達18.2 mW,對應的泵浦轉換效率約為27%,表明該激光器具有很高的泵浦轉換效率。不僅如此,即使泵浦功率增加到可用的最大泵浦功率,輸出激光功率仍未出現飽和,因此,若改用更大輸出功率的泵浦源,單縱模激光輸出功率還可進一步提升。圖3(b)為利用光譜分析儀(Yokogawa,AQ6735)測得的輸出單縱模激光光譜,其中心波長為1942.86 nm,光譜寬度約為0.05 nm(受限于光譜儀的分辨率),信噪比(SNR,RSN)大于60 dB。

圖3 (a)輸出激光功率隨泵浦功率的變化趨勢;(b)利用光譜分析儀測得的輸出激光光譜,插圖為光譜的局部放大圖Fig.3 (a)Variation of laser output power with pump power;(b)Output laser spectrum measured by the optical spectrum analyzer,and the inset is a partial enlarged view of the spectrum

由于激光器采用了絕熱封裝,使得TEC 控制溫度由25?C 升高至50?C 的過程中,激光中心波長可從1942.86 nm 無跳模地調諧至1943.22 nm,對應的中心頻率調諧范圍達29 GHz,圖4 為測試結果。因此,本研究所采用的DBR 單縱模光纖激光器可以實現大范圍的頻率調諧。在25?C 的TEC 控制溫度下,通過改變施加在激光器內置PZT 上的電壓還可以對激光頻率進行快速調諧。圖5(a)給出了當PZT 電壓的頻率為1 kHz、幅度為4 V 的三角波時,由F-P 掃描干涉儀(Thorlabs,SA210-12B)測量獲得的激光頻率調諧特性,可見激光頻率在1.5 GHz 范圍內可實現快速調諧。實驗還發現,當PZT 電壓調制幅度分別為8 V和16 V 時,頻率調諧分別達3.1 GHz 和5.9 GHz,即頻率調諧范圍與PZT 調諧電壓近似成線性關系,在1 kHz 調諧頻率下,調諧系數約為375 MHz/V。圖5(b)為當PZT 調制電壓固定在16 V 時實測的激光頻率改變量隨調制頻率的變化,可見,當調制頻率小于1 kHz,頻率調諧范圍隨調制頻率增大保持6 GHz 不變;當調制頻率大于1 kHz,由于調制速度較高,激光器腔長伸縮變化已無法完全響應,因此激光頻率調諧范圍開始緩慢下降,當調制頻率為9 kHz 時,頻率調諧范圍降到最大調諧范圍的一半,約為3 GHz,因此,基于PZT 的激光器頻率快速調諧的帶寬約為9 kHz。

圖4 輸出激光中心波長隨TEC 控制溫度的變化Fig.4 Variation of the center wavelength of output laser with the TEC control temperature

圖5 (a)對PZT 施加調制頻率為1 kHz、幅度為4 V 的三角波時利用F-P 掃描干涉儀測得的激光頻率調諧特性;(b)對PZT 施加幅度為16 V 的三角波時實測的輸出激光頻率改變量隨調制頻率的變化Fig.5 (a)Laser frequency tuning characteristics measured by F-P scanning interferometer when the PZT is modulated by a triangular-wave with a frequency of 1 kHz and a voltage of 4 V;(b)Measured changes of laser frequency varies with modulation frequency when the PZT is modulated by a triangular-wave with a voltage of 16 V

3 結 論

基于石英玻璃單模摻銩光纖和793 nm 半導體激光泵浦源,研制了一種具有頻率調諧功能的2μm 波段DBR 型單縱模光纖激光器,并將該激光器集成為1U 標準機箱的樣機。通過采用二次絕熱封裝并輔以TEC 精密溫控,使得該激光器具有優良的單縱模運轉穩定性;通過內置PZT 實現了對激光頻率的快速調諧,調諧范圍和調諧帶寬分別為6 GHz 和9 kHz;通過TEC 溫度控制還實現了對激光頻率的大范圍無跳模調諧,調諧范圍達29 GHz。此外,該激光器還具有泵浦閾值低、泵浦效率高以及輸出激光信噪比高等特點,因此,有望應用于高分辨光譜、量子信息、非線性頻率變換等領域。