基于微光纤结谐振器的多波长随机光纤激光器的光谱特性

Ming Shen, Yan-Xin Li, Qian-Ying Li and Xue-Wen Shu, Spectral characteristic of multi-wavelength random fiber laser using a microfiber knot resonator. Appl. Phys. Lett. 123: 021104 (2023).

在过去的十年里，随机光纤激光器由于其简单的腔结构、低成本和独特的光学特性而成为研究热点。随机光纤激光器是光纤传感、光通信和无斑点成像的重要选择，已成为复杂系统中多学科基础研究的新平台，如光学湍流样行为和Lévy样统计。基于瑞利散射的随机光纤激光器由于腔内千米级光纤，具有结合受激拉曼散射的天然优势。许多研究人员对这种随机拉曼光纤激光器进行了研究。拉曼增益的不均匀加宽特性使随机拉曼光纤激光器成为多波长光纤激光器的有效解决方案，在光通信、光学传感、成像等许多领域发挥了重要作用。随机拉曼光纤激光器独特的功率分布使其有可能实现高功率激光器，而关键光谱器件可能具有低功耗。由于其均匀加宽特性，通常使用的稀土掺杂光纤将需要特定的技术来减轻模式竞争。此外，与传统的稀土掺杂基激光器相比，在适当的泵浦下，随机拉曼光纤激光器可以通过简单的腔结构在光纤透明窗口上发射更多的波长。

常用的多波长发射方法包括受激布里渊散射和梳状滤波器，它们具有梳状传输光谱。研究人员开发了多种滤波器，如Lyot滤波器、Sagnac滤波器和不同类型的光纤布拉格光栅。最近，研究人员提出了声光可调谐滤波器和光谱可编程空间光调制器等新方法，以实现对每个波长通道的灵活和独立的光谱操作。尽管随机拉曼光纤激光器可以打破稀土掺杂剂发射光谱的限制，但在1.65 μm波段实现的多波长随机拉曼光纤激光很少且大多基于布里渊增益，这限制了光谱特性的操纵。注意，1650 nm激光对气体检测、激光雷达和眼科手术等广泛应用具有吸引力。

除了单模光纤滤波器之外，最近一种微光纤器件——微纤维结谐振器，由于其高品质因子、良好的兼容性和小尺寸而备受关注。微光纤结谐振器具有宽带梳状传输光谱，理论上可以过滤光纤透明窗口中任何波长的光。然而，到目前为止，使用微光纤结谐振器的光纤激光器是基于稀土掺杂光纤的且输出波长通道的数量相对较小（在3-dB带宽内高达11个）。改变拉曼增益应在不增加激光器冗余的情况下显著提高输出波长通道的数量。因此，将柔性随机拉曼光纤激光器和宽带微光纤结谐振器相结合以实现不同波段的多波长发射将是特别令人感兴趣的。

研究人员采用火焰刷法制备了单模光纤。拉伸长度为27 mm，微光纤直径约为4.8 μm。然后，手工打结成直径约2 cm的环，安装在电动平移台上进行双向拉伸，缩短直径。微光纤结谐振器的两侧分别连接超连续谱源和分辨率为0.02 nm的光谱分析仪。连续监测透射谱，当得到期望的透射谱时，停止拉伸。图1(a1)显示了微光纤结谐振器的原理图，它被放置在低折射率聚四氟乙烯板上，尾纤用UV粘合剂固定。然后，它们被固定在一个塑料盒子里，外面有两条尾纤，以防止环境干扰。为了更好地观察，将红色激光注入微光纤结谐振器，如图1(a2)所示。使用CCD相机拍摄显微图像，并基于像素计算微光纤结谐振器的尺寸。测量到的微光纤结腔直径约为3210 μm。交错重叠区域重叠长度超过1500 μm，放大图，如图1(a3)所示。

随机拉曼光纤激光器装置，如图2(a)所示。采用国产1540 nm光纤激光器作为泵浦源，最大泵浦功率为6.8 W。该半开腔随机拉曼光纤激光器由3dB耦合器和10 km单模光纤组成的高反射镜提供拉曼增益和瑞利后向散射反馈。1540 nm泵浦通过1550/1650 nm波分复用器耦合到腔中。将微光纤结谐振器连接到1650 nm，对腔内功率较低的后向1650 nm拉曼激光进行滤波。这种布局可以最大限度地减少由微光纤结谐振器引起的激光损耗且对滤波器的功率耐久性要求相对较低。在10 km单模光纤中进行非线性效应前，使用耦合器的3%端口作为输出口1监测腔内激光特性。FC/APC连接器与单模光纤熔接以消除寄生反馈，并用作输出端口。输出功率曲线，如图2(b)所示。由于随机拉曼光纤激光器的功率分布和输出耦合比小，在输出口1处的输出功率低得多。输出口2功率曲线正常，在最大泵浦功率为6.8 W时，输出功率达到3.34 W。此外，还在输出口2处测量了没有微光纤结谐振器的功率曲线。

图3显示了不同泵浦功率下的输出光谱特性。如图3(a1)在输出口1处所示，在2.6 W的泵浦功率下，观察到具有1655 nm左右尖峰的混沌放大自发发射[如图3(a2)所示]，然后，在3.1 W的泵浦功率下演变为具有单个钟形包络的稳定多波长发射。当进一步增加泵浦功率时，在1665 nm附近出现另一个钟形包络。图3(a3)为泵浦功率为3.8 W，包络峰附近光信噪比大于15 dB时的光谱。激光线的通道间距为0.18 nm，与光纤结谐振器的自由光谱范围相同。在这里，将短于1660 nm的光谱分量表示为左侧，另一部分表示为右侧。在没有特定波长选择器的情况下，由于拉曼增益谱中的两个峰，这两个部分可能会出现。当泵浦功率增加并将更多的功率转移到右边部分时，红移发生，这使得右边部分处于优势地位。对于高泵浦功率的拉曼光纤激光器，光子在光纤中经历更长的路径，吸收和再发射增加，这导致了红移。激光功率的增加引起的热膨胀和折射率的变化也导致了红移。输出口2的光谱演变趋势与图3(b1)相似，而图3(b2)和图3(b3)的单次光谱则存在差异。从图3(a3)和图3(b2)可以看出，在泵浦功率为3.8 W时，左侧信噪比明显下降，降至10 dB以下。当激光在10 km单模光纤中传播时，高功率诱导的非线性谱展宽导致了信噪比的下降，右边部分在泵浦功率为6.2 W时，信噪比下降得更快，光谱甚至呈现出光滑的包络，如图3(b3)所示。窄小的通道间距除了比左侧高的功率会引起更严重的非线性谱展宽效应外，还会促进谱展宽过程。研究人员统计了两部分在3 dB带宽内的波长通道数和总光谱。这里，每个计数通道的信噪比也应该大于3 dB。图4(a)显示了输出口1处的结果。左侧保持相对稳定的数量在26左右，如图3(a1)所示。在泵浦功率为3.2 W时，右侧部分记为1，因为它只出现在放大的自发发射上方。然后，数量逐渐增加到13个左右的相对稳定的数量。在低泵浦功率下，总光谱的波长通道数不断增加，在5 W泵浦功率下达到最大值40个。但是，当右部分明显高于左部分时，它会下降并最终等于右部分。输出口2处的结果也有类似的趋势，如图4(b)所示。左侧部分保持相对稳定的29个左右，大于输出口1。这可能是由于10 km单模光纤中的四波混合导致相邻信道之间的功率平衡造成的。而当泵浦功率达到5 W时，右边部分的数量降为1，如图3(b1)所示。随着泵浦功率的进一步增大，右侧功率远高于左侧功率，导致只有一个波长通道。这种情况发生在泵浦功率低于输出口1的情况下，说明功率传输主要发生在10 km单模光纤中。在泵浦功率为4.4 W时，达到了总光谱的38个最大值。

为了进一步了解微光纤结谐振器对激光输出特性的影响，研究人员在输出口2处比较了有微光纤结谐振器和没有微光纤结谐振器的实验结果。在图2(b)中，当泵浦功率高于3.5 W时，输出功率几乎相同，而不使用微光纤结谐振器时，阈值降低了约1 W。微光纤结谐振器引起的附加损耗增加了激光阈值。随机拉曼光纤激光器的功率分布保证了微光纤结腔的功率非常低，因此，在高泵浦功率条件下，微光纤结腔对输出功率的影响很小。图4(c)显示了无超光纤结谐振器输出口2处的光谱演变。与使用微光纤结腔的情况不同，左腔的红移和功率下降更快，在泵浦功率为4.4 W时，峰值功率比右腔低约20 dB。在泵浦功率为6.8 W时，光谱变得粗糙，表明产生了二阶拉曼激光，超出了所用光谱仪的检测范围。注意，在微光纤结谐振器中没有观察到二阶拉曼激光的迹象。进一步通过对输出光谱积分计算左侧部分的功率比，如图4(d)所示。输出口1的功率比略高于输出口2的功率比，这意味着在10 km的单模光纤中，更多的功率被转移到右边的部分。准线性减小的功率比表明，在更高的泵功率下，两个包络将合并为一个。与不使用超光纤结谐振器的结果相比，同一器件内多波长通道之间的非线性相互作用减缓了两器件的合并。然而，相应的泵浦功率和二阶拉曼激光的阈值仍有待研究。当去除微光纤结谐振器时，左侧的功率比下降得更快，在5 W的泵浦功率下，功率比下降到1%以下。在一个小的光谱带宽集中的功率解释了第2拉曼激光比使用微光纤结谐振器更早开始的原因。微光纤结谐振器作为一个真正的腔内滤波元件，具有增强的非线性，滤波后的多波长通道之间复杂的非线性相互作用和相关性，导致了不同寻常的光谱特性。

用频谱分析仪和10 GHz光电探测器测量了泵浦功率为5 W时随机拉曼光纤激光器的频谱。图5(a)显示，10 km单模光纤对应的间距10 kHz处无纵向模跳动，说明随机激光效果良好。通过对两部分的两个峰的监测，探讨了所提出的多波长随机拉曼光纤激光器的长期稳定性。泵浦功率固定为5 W，与平均值的功率差异，如图5(b)所示。在两个输出处，最大值分别小于0.38 dB和0.1 dB。由于随机拉曼光纤激光器对温度变化的不敏感以及微光纤结谐振腔的封装，使得激光器在室温下的稳定性相对较好。可以用低指数UV粘合剂将整个微光纤结谐振器浸没，以增加稳定性和使用寿命。

所获得的最大波长通道数远远大于其他基于微光纤结谐振器的光纤激光器且与基于其他滤波器的光纤激光器相当。但是，这个数字仍然比基于布里渊增益的数字少得多，这应该是由于拉曼增益带宽有限造成的。采用具有更高消光比的超光纤结谐振器，可通过优化表面粗糙度和尺寸参数来进一步提高较小的信噪比。随机拉曼光纤激光器具有不同寻常的光谱特性，在输出光谱中存在两个包层且随着泵浦功率的增加，它们经历不同的演化过程。在随机拉曼光纤激光器中插入一个光带通滤波器，可以选择一个包络或改变中心波长，如果需要定制的输出光谱，比如，将输出光谱在1660 nm处分开，得到U波段的多波长激光器和单波长激光器。在较低的泵浦功率下，使用宽带源而不是窄线宽光纤激光器可以略微增加波长通道的数量，并将输出光谱从两个包络线变为一个包络线。

总之，研究人员提出了一种基于U波段微光纤结谐振腔的多波长随机拉曼光纤激光器。实现了多达40个波长通道且输出通道间距与超光纤结谐振器的自由光谱范围吻合良好。微光纤结谐振器是一种小尺寸全光纤和波长不敏感宽带滤波器，可以通过改变直径来定制。随机拉曼光纤激光器与微光纤结谐振器相结合，具有可调性好、柔韧性高、结构简单等优点。这种随机拉曼光纤激光器为实现U波段的柔性多波长铺平了道路，也可以很容易地扩展到其他波段的多波长产生。