光谱可定制的多波长随机光纤激光器

Si-Cheng Li, Jiang-Ming Xu, Jun-Rui Liang, Jun Ye, Yang Zhang, Xiao-Ya Ma, Jin-Yong Leng and Pu Zhou, Multi-wavelength random fiber laser with a spectral-flexible characteristic, Photon. Res. 11(2): 159-164 (2023).

由Turitsyn等人于2010年提出的随机光纤激光器在其发展和实际应用中得到了快速的发展。近年来，随机光纤激光器在高功率输出、波长调谐、调Q、线偏振运转、光强涨落转移动力学等领域取得了突飞猛进的发展。在随机光纤激光器的各种研究中，多波长运转由于其在光通信、精密光谱、光学传感、微波产生等领域的广泛应用而成为研究热点。随机光纤激光器在产生多波长输出方面也表现出巨大的潜力。随机光纤激光器特殊的功率分布特性使得利用低功率能力的光谱调谐器件对高功率激光输出进行光谱操控成为可能。具有波段不敏感特性的宽而平坦的增益也有利于在许多可定制的波长上实现可调谐的多波长生成。此外，与掺稀土光纤激光器相比，其工作波段部分受限于光纤激光器的发射光谱，稀土掺杂的随机光纤激光器在光纤的透明窗口内是一种很有前途的激光光源。

多种随机光纤激光器方案可以实现波长可调谐，包括在腔内插入可调谐滤波器、采用光学光栅滤波器以及将光纤法布里-珀罗腔与马赫-曾德尔干涉仪相结合。将可调谐泵浦源与级联受激拉曼散射过程相结合，进一步拓宽了波长调谐范围。使用梳状滤波器的级联随机拉曼光纤激光器也可以实现光谱操控。除了波长的选择，目前有多种结构用于实现多波长光纤激光器的产生。常用的方法有受激布里渊散射效应、四波混频效应、马赫-曾德尔干涉仪、Sagnac环形镜、法布里-珀罗干涉仪、光纤布拉格光栅、二维材料、超长周期光栅、非线性放大环形镜、Loyt滤波器等。然而，灵活的波长调谐和多波长产生很难同时实现。

幸运的是，声光可调谐滤波器可以提供有效的途径来产生多波长激光，同时实现灵活的波长选择和波长依赖的损耗。中心波长和相应的损耗可以通过设计射频信号来控制。自问世以来，声光可调谐滤波器在不同领域得到了广泛的应用。基于掺镱光纤，研究人员实现了灵活的多波长调谐，调谐范围达到1032-1111 nm。此外，还实现了调谐范围为1524-1567 nm的可调谐多波长掺铒光纤激光器。基于声光可调谐滤波器，研究人员实现了少数波长可调谐的光纤激光器。此外，没有用于无腔随机光纤激光器的声光可调谐滤波器端口，可以实现灵活的多波长输出。但可以预见的是，灵活的调谐能力使声光可调谐滤波器成为光谱滤波和操纵的通用器件，这使得声光可调谐滤波器所使用的多波长随机光纤激光器能够实现高功率光谱可编辑的随机激光输出。

光谱可定制的多波长随机光纤激光器原理图，如图1所示。采用自制的高功率放大自发辐射源作为抽运光，其工作带宽为15.2 nm，中心波长为1065 nm。采用一卷3 km的无源光纤提供拉曼增益和随机分布反馈。无源光纤的纤芯和包层直径分别为9 μm和125 μm。光纤纤芯的数值孔径为0.14，中心波长在1050-1150 nm之间时，衰减系数约为0.7 dB/km。在抽运源和无源光纤之间插入1070/1120 nm波分复用器，将后向散射斯托克斯光分量从抽运光中分离出来。波分复用器的1070 nm端口与放大自发辐射源相连，1120 nm端口与由环形器和声光可调谐滤波器组成的反馈环路相连。后向斯托克斯光分量作为反馈光从端口2进入环行器并在端口3输出，再由声光可调谐滤波器进行滤波。经过滤波后，反馈光从端口1进入环形器，在端口2输出，然后通过波分复用器注入到无源光纤中。采用光谱分析仪和功率监测仪分别测量输出端口后的输出光谱和功率。

由于采用了宽带的抽运源，无源光纤的增益谱平坦，具有中高边增益和低边增益的特性。为了获得等幅的多波长输出，研究人员通过调节外加电压使声光可调谐滤波器透射谱中中间波长处的损耗更高，边缘波长处的损耗更低。图1中的光谱显示了通过控制声光可调谐滤波器的透射光谱实现等振幅多波长输出的过程。滤波光谱的边缘具有较高的透射率，对应于增益光谱具有较低增益的波段。反之，在增益较高的区域，滤波损耗较高。两者的相互作用导致了等振幅的多波长输出。

首先，研究人员测量了声光可调谐滤波器的透射谱。研究中，常见的1070 nm抽运源对应的一阶拉曼激光约为1123 nm，对应的声光可调谐滤波器滤波光谱，如图2(a)所示。主峰的半最大全宽为2.0 nm，主峰旁边出现多个边带。主峰和次峰之间的波长间隔约为5 nm，幅度差约为12 dB。

然后，研究人员测量了当泵浦光波长约为1070 nm，信号光波长为1123 nm时的功率和光谱演化特性。如图2(b)和2(c)所示，当抽运功率超过3.87 W时，输出功率的1070 nm分量迅速减小，并迅速转变为1.1 μm随机激光。当抽运功率达到8.45 W时，1.1 μm随机激光获得最大功率4.67 W，对应的转换效率为55.3 %。由于无源光纤可以引入约40%的功率损耗，传输损耗系数约为0.7 dB/km，长度为3 km，因此，转换效率主要受限于无源光纤的损耗。图2(c)描述了1.1 μm随机激光达到最大值（4.67 W）时的光谱，其中心波长为1123 nm，半最大全宽为1.08 nm。很明显，由于无源光纤中的增益竞争，反馈光的边带被抑制，主峰变窄。此时信噪比大于30 d B，测得的最高光谱纯度接近100 %，放大自发辐射泵浦源贡献显著。随着抽运功率的进一步增大，1.1 μm随机激光分量将转化为下一级，一级斯托克斯分量的输出功率将减小，如图2(d)所示。由于下一级的波长分量超出了环行器等器件的工作范围，为避免系统堵塞，不再进一步增大抽运功率。这意味着输出功率受限于下一级斯托克斯分量的产生。通过缩短无源光纤长度和增大纤芯直径，可以有效提高受激拉曼散射阈值，从而获得更高的输出功率。但同时也大大增加了后向散射光的功率，可能超过声光可调滤波器的功率承受能力。因此，需要进一步优化系统结构以获得更高的输出功率。

在引入射频信号的18 nm调谐范围的基础上，通过增加第二个通道可以很容易地实现双波长输出；对应的中心波长由双通道射频信号的频率决定。图4(a)显示了以1118 nm和1128 nm为中心波长间隔为10 nm的双波长输出光谱，其信噪比大于25 dB，主频位于60.585 MHz和59.98 MHz。当主频调谐至60.357 MHz和60.06 MHz时，信噪比下降至15 dB左右，间隔调整为4 nm。光谱如图4(b)所示。当工作波长调谐时，输出功率约为4.73 W，波动率为4.53%。实际上，通过调节两个通道的射频信号频率，可以在调谐范围内获得任意组合的双波长输出。值得注意的是，随着波长间隔的进一步减小，信噪比会降低。但是，当不同通道的信号频率相近时，对应的激射往往会发生合并，从而无法区分。

实验中，研究人员进一步缩小射频信号频率间隔来控制线宽。在声光可调谐滤波器上加载频率分别为60.39 MHz和60.22 MHz，射频幅度分别为23和24的双通道射频信号。在图5(a)中绘制了相应的声光可调谐滤波器的滤波光谱。在这种情况下，两个频率对应的光谱成分重叠合并成一个更宽的光谱，其半最大全宽约为5.7 nm。该参数条件下的激光输出光谱，如图5(b)所示，其半最大全宽约为4 nm，这可能是由于增益竞争导致光谱变窄的影响。随着射频频率数目进一步增加到5，得到了如图5(c)所示的输出光谱。输出随机激光的半最大全宽增加到4.5 nm，与双通道输出相比，半最大全宽更宽，增加的百分比更小，这可能是增益竞争的结果。

通过这种多功能的声光可调谐滤波器，多波长调谐也是可以实现的。随着射频信号通道数的增加，可以实现多通道滤波。图6(a)为等幅三波长输出和等幅五波长输出，相对波长差小于1 dB，三波长激射谱线位于1116 nm、1123 nm、1130 nm，五波长激射谱线位于1115 nm、1119 nm、1123 nm、1127 nm、1131 nm。三波长和五波长输出功率分别为5.17 W和5.03 W。由于增益谱不平坦，在实验中，研究人员优化了射频信号幅度，得到了如图6(b)所示的透射谱，弥补了增益谱，得到了等幅的激光线。

除了等强度多波长运转外，这种基于多功能复合型声光可调谐滤波器的随机光纤激光器还具有可变强度。输出光谱可以通过调节加载射频信号来定制。在五波长等幅输出的基础上，具有特殊形状的光谱，如图7所示，可以通过改变射电振幅来排序。所有的光谱都是在9.83 W的泵浦功率下测得的且最大功率随光谱轮廓变化不大。当工作波长调谐时，输出功率约为4.87 W，波动率为3.29%。

总之，研究人员实现了一种同时具有波长选择和强度调谐特性的声光可调谐滤波随机光纤激光器，中心波长可工作在1114.5-1132.5 nm范围内，也可实现光谱通道调谐，最多可调谐5个。通过设计的射频信号，甚至可以将线宽展宽到4.5 nm。滤波器的优化损耗弥补了增益谱，实现了等幅多波长输出。通过进一步的调整，可以获得定制的光谱包络。这种可定制光谱的多波长随机光纤激光器有可能拓宽可调谐光纤激光器的调谐波段，促进多波长随机光纤激光器在传感、电信和精确光谱方面的实用性。