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高速调频低噪声单频光纤激光器
Can Li, Shanhui Xu, Xiang Huang, Zhouming Feng, Changsheng Yang,
Kaijun Zhou,Jiulin Gan, and Zhongmin Yang
手稿于2015年10月20日收到; 2016年1月13日修订; 2016年2月8日接受。发布日期2016年2月12日;目前版本的日期为2016年6月13日。这项工作部分得到中国国家863高科技计划的资助2014AA041902，部分资助，国家自然科学基金资助项目11174085，资助61535014，资助51132004和Grant 51302086部分由中央大学基础研究基金资助2015ZP013部分由广东省自然科学基金资助项目S2011030001349和资助项目S20120011380部分由中国国家青年科学基金资助项目61325024资助部分由广东省科技计划项目资助项目2013B090500028和2014B050505007资助，部分由中国科学院跨学科合作科技创新团队项目资助2012-119，部分由中央大学基础研究基金资助格兰特2015ZP019，中国。 （通讯作者：徐善辉）
C. Li，S. Xu，X. Huang，Z. Feng，C. Yang，K. Zhou，and J. Gan with
中国科学院发光材料与器件国家重点实验室 华南理工大学光通信材料研究所，广州510640（电子邮件：lc0616@163.com; flxshy@scut.edu.cn;
huang.scut@foxmail.com;zhmfeng@scut.edu.cn;csyang070313@163.com;
stephenzhou@lightpromotech.com;msgan@scut.edu.cn）
Z. Yang与发光材料与器件国家重点实验室，华南理工大学光通信材料研究所，广州510641，还与广东省特种光纤材料工程技术研究开发中心， 装置，广州510640，广东省纤维激光材料与应用技术重点实验室，广州510640（电子邮箱：yangzm@scut.edu.cn）。
这封信中的一个或多个数字的颜色版本可通http://ieeexplore.ieee.org在线获取。 数字对象标识符10.1109 / LPT.2016.2529652
摘要:本文展示了一种基于自注入锁定单频光纤激光器的新型高速频率调制方案。激光频率噪声在〜25 kHz时达到-5 dB / Hz / Hz1/2，而线宽估计为〜800 Hz。通过调制激光锁定的外腔长度，可以实现稳定的频率调制激光，调制速度高达160 kHz，调制幅度gt; 145 MHz，调制速度为60 kHz。在研究中发现了调频光纤激光器的强度噪声谱与调制前激光器的强度噪声谱相同，只是在调制频率处有一系列逐渐减弱的谐波峰。
关键词：光纤激光器，调频，低噪声，光纤反射仪
1.简介
在过去的十年中，短腔单频光纤激光器已经引起了高精度光纤传感，相干光束合成，计量和光谱学等应用领域的广泛兴趣，由于其具有紧凑的全光纤配置，高输出功率，低噪声和kHz级线宽的优点。尤其是，考虑到激光频率是线性调制，这种类型的激光器可以进一步应用于光纤反射测量和PGC（相位生成载波）技术的干涉测量之中。
原则上，具有高调制带宽和大调制幅度的调频激光对于实现所期望的施加性能是必不可少的。 这可以通过改变半导体激光器的工作驱动电流来实现，这种实现方式是很容易的。然而，在电流的调制方案会降低激光强度噪声，从而增加单频光频率噪声和线宽，这是在半导体激光器中有着非常显着作用的性能参数。关于光纤激光器，常用的方法是使用压电换能器（PZT）来调制光纤腔的长度。鉴于这种调制方式，优先选择短的腔体以获得较宽的频率调制范围，并同时保持稳定的单纵模的工作特性。在以往的方式中，我们通过将小体积的的PZT封装到短腔DBR（分布式布拉格反射镜）磷酸盐光纤激光器中，展示了一种线性调频激光器。但是，激光器的调制范围受限于PZT的频率响应，在调制频率在高于10 kHz时的出现弱响应的现象。最近，M.Chen等人 据报道通过卷绕PZT环上的部分光纤环腔来调制低噪声布里渊/铒光纤激光器，并实现高达48 kHz的调制频率。 不过，布里渊增益的本征有限带宽限制了几十MHz的调频范围。
在这篇文章中，我们展示了一种新颖的高速频率调制方案，基于自注入锁定单频光纤激光器。 这可以通过改变半导体激光器的工作驱动电流来实现，这种实现方式是很容易的。然而，在电流的调制方案会降低激光强度噪声，从而增加单频光频率噪声和线宽，这是在半导体激光器中有着非常显着作用的性能参数。关于光纤激光器，常用的方法是使用压电换能器（PZT）来调制光纤腔的长度。鉴于这种调制方式，优先选择短的腔体以获得较宽的频率调制范围，并同时保持稳定的单纵模的工作特性。通过调制激光锁定的外腔长度，实现了调制速度高达160kHz，调制幅度gt; 145MHz且调制速度为60kHz的稳定的频率调制激光器。而且，自注入式锁定激光器的出色噪声特性使其在应用中发挥着重要的作用。
2.实现方式
图1显示了所提出的调频单频光纤激光器的配置原理图。激光腔由一根两端分别熔接有窄带光纤布拉格光栅（NB-FBG）和宽带光纤布拉格光栅（BB-FBG1），且长度为1.5cm的高ER3 /Yb3 共掺磷酸盐玻璃光纤构成。使用基于棒中套管技（利用机械加工方法分别将芯/包层玻璃加工成芯棒和玻璃套管,将芯棒插入到套管中,制成预制棒）的拉丝塔制造活性纤维，Er3 的掺杂浓度分别为3.0mol％，Yb 3 的掺杂浓度为5.0mol％。在信号波长处NB-FBG的反射率为60％，而BB-FBG1的反射率为大约99.5％。而NB-FBG和BB-FBG1的反射峰值的3dB线宽分别为0.07nm和0.4nm。该腔由980nm激光二极管（LD）通过波分复用器（WDM）向后泵浦，激光信号从WDM（波分复用器）和隔离器耦合输出。在腔的另一侧，BB-FBG1连接到另一个宽带FBG（BB-FBG2），该信号在信号波长和反射率为0.4.95nm时具有超过99.95％的反射率。因此，BB-FBG1和BB-FBG2形成光纤激光器的外腔，并且这两个FBG之间的反射率差异使得腔体能够通过自注入锁定向激光器提供光学反馈。激光腔和BB-FBG2同时进行温度控制，分辨率为0.05°C。为了调制激光频率，在BB-FBG1和BB-FBG2之间插入高速光纤拉伸器（HSFS，Optiphase PZ1）。 HSFS中单模光纤的长度约为12.3米，HSFS和两个BB-FBG之间的光纤长度尽可能短以最大化频率调制范围。
图1 频率调制单频光纤激光器的配置示意图
3.结果与分析
图2显示了单频光纤激光器的输出功率与泵功率的关系。激光阈值约为20 mW。当泵功率高于阈值时，激光输出功率随着泵功率近似线性增加。估计的斜坡效率大约为激光泵浦功率的25.4％。由于这种自注入锁定光纤激光器有相当大的损失，当泵浦功率达到250 mW时，它表现出明显的饱和效应。通过改变半导体激光器的工作驱动电流来实现，这种实现方式是很容易的。然而，在电流的调制方案会降低激光强度噪声，从而增加单频光频率噪声和线宽，这是在半导体激光器中有着非常显着作用的性能参数。关于光纤激光器，常用的方法是使用压电换能器（PZT）来调制光纤腔的长度。鉴于这种调制方式，优先选择短的腔体以获得较宽的频率调制范围，并同时保持稳定的单纵模的工作特性。研究输出功率在5小时以内的稳定性，结果如图2中的小插图所示，如图中所示，激光不稳定性（其被称为功率相对于平均功率的最大波动） 被测量为小于plusmn;0.4％。
图2 单频光纤激光器的输出功率与泵功率的关系图
插图：5小时内激光器的功率稳定性
激光频率噪声由环境隔离桶采用100m光程差（OPD）屏蔽的非球面迈克尔逊干涉仪测量。通过压电换能器（PZT）调制OPD，利用解调器从干涉信号中解调出频率噪声。图3演示了从0到25 kHz的频率噪声测量功率谱，其中术语“dB Hz Hz / Hz1/2”表示噪声幅度的对数计算。受当前测量方法限制，较高频率的噪声信息不可用。如图所示，激光器显示出相当低的频率噪声水平，在25kHz左右时达到-5dB / Hz1/2。低于10 kHz的频率出现的频谱尖峰归因于声学拾取，因为低噪声激光更容易受到来自环境的声学噪声的影响。 激光线宽采用包括48.8km光纤延迟Mach-Zehnder干涉仪和40MHz光纤耦合声光调制器（AOM）的自外差方法测量。在图3的插图所显示的结果中，从中可以发现光纤激光器的3分贝洛伦兹线宽约为750赫兹。由于当前系统的测量分辨率（〜6 kHz）很难解决亚kHz线宽，因此我们通过利用估计线V2rms= f/pi;（其中Vrms和f来从测量的频率噪声谱中进一步评估激光器的线宽,其分别表示噪声幅度和电频率）。如图3所示。原则上，噪声谱与估计线之间的交点的电频率可给出Lorentz线宽的近似值，假设噪声谱为合理的频率独立在交叉点附近。所获得的激光线宽值约为800 Hz，所得结果与外差测量结果一致。最后，我们可以相信通过增加外腔长度可以进一步优化光纤激光器的频率噪声和线宽，从而导致自注入锁定激光器的Q因子更大。
图3 光纤激光器的测量频率噪声功率谱和评估线宽的评估线
插图 使用48.8公里光纤延迟Mach-Zehnder干涉仪测量的自外差信号
通过以正弦电压信号驱动HSFS，可以以相同的速度调制激光频率，并且通过具有自由光谱范围（FSR）的扫描法布里-珀罗干涉仪测量光纤激光器对调制带宽的频率调制幅度1.5 GHz，分辨率为7.5MHz。结果如图4所示，HSFS的相应调制电压为plusmn;60 V，这是我们实验室中可用的最大值。在实验过程中，确认了激光的单纵模操作。所提出的激光对调制频率的频率响应分别在58kHz和143kHz处示出两个可见峰。这归因于HSFS的机械共振。 除了系统不稳定的共振点之外，激光器的调制速度可达160 kHz（制造商声明的HSFS的最大响应频率）所获得的激光线宽值约为800 Hz，所得结果与外差测量结果一致。最后，我们可以相信通过增加外腔长度可以进一步优化光纤激光器的频率噪声和线宽，从而导致自注入锁定激光器的Q因子更大。
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图4 正弦调制电压plusmn;60 V时光纤激光器的频率调制幅度与调制频率的关系
图5进一步说明了在调制频率为50 kHz，60 kHz和140 kHz时，调制电压发生变化时频率调制幅度的演变。从图中可以看出，随着调制电压的增加，调制幅度近似线性增加。原则上，考虑到较高的调制电压可用，激光器的调制深度可以进一步扩展。但是，如在“Fast-tuning, low-noise,compact Brillouin/erbium fiber laser”这篇文章所展示的那样，当调制深度达到一定程度时，激光器会变得不稳定。
图5 调制频率为50 kHz，60 kHz和140 kHz时光纤激光器的频率调制幅度与调制电压的关系
调频光纤激光器的噪声特性由带宽为150 MHz的InGaAs光电探测器和带宽分辨率为1 kHz的电子光谱分析仪（ESA）进一步进行分析研究。图6显示了激光器在调制前后的相对强度噪声（RIN）。激光器的分别以50 kHz，60 kHz70 kHz和140 kHz的频率进行调制。为进一步研究了调频光纤激光器的噪声特性，50 kHz和60 kHz调制的调制电压为plusmn;20 V，其余为plusmn;60 V。在测量频带内调制之前的激光的噪声频谱主要由松弛振荡峰值决定，该峰值位于400kHz左右，相应的RIN为-115dB/Hz。除了这个峰值，激光器RIN在低频和高频处迅速降低到-140 分贝/赫兹以下。当被调制时，在噪声频谱中会出现一系列逐渐减弱的谐波峰值，谐波频率就是HSFS的调制频率。。从中可以看出，随着调制电压的增加，调制幅度近似线性增加。原则上，考虑到较高的调制电压可用，激光器的调制深度可以进一步扩展人们可以发现，除了这些谐波之外，噪声谱与调制之前的激光谱保持一致。考虑到调频激光器在光纤反射测量和干涉检测中的预期应用，RIN频谱中的调制引起的谐波峰值可以容易地在接收器处辨别。此外，应该注意的是，对于50kHz和60kHz的调制频率，当调制电压超过plusmn;20V（分别对应于104MHz和147MHz的调制幅度）时，激光噪声频谱开始出现紊乱。然而，当施加gt;plusmn;20V的调制电压时，在调制频率为20-50kHz时，噪声频谱的无序效应也被发现，并且调制频率低于20kHz以调制低于plusmn;20V的电压。然而，当施加gt; 20V的调制电压时，调制频率为20-50kHz时，噪声频谱的混乱效应也被发现。并且当调制信号的电压低于plusmn;20V时，其有效调制频率低于20kHz。因此，所提出的频率调制光纤激光器存在不稳定性的存在的另一个原因，我们将其认为是自注入锁定激光器结构中激光的递归动力学问题。鉴于这些方面的原因，为了实现调频激光器的稳定性实验和使用，调制带宽应设置得相对较高以避免失调，并且可以通过实验确定给定调制频率下的最大调制深度。
图6 调制前的光纤激光器的RIN以及
调制频率为50 kHz，60 kH
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