魏佳 ，张鹏 ，3，何爽 ，宫喜宇

（1.长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，长春 130022；2.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；3.鹏城实验室，深圳 518052）

随着传输速度及传输容量的要求越来越高，为了进一步提高通信容量，提出了波分复用技术及空分复用技术。在同一根光纤中同时让两个及以上的光波长信号通过不同的信道各自传输，称为波分复用技术［1］。光纤波分复用通信系统正朝着信道越来越多的方向快速发展。单模通信系统容量已经逼近了极限，无法满足通信的要求。空间域的利用被认为是光通信中新的物理维度。近年来，空分复用技术在光纤通信和无线光通信中引起了科研人员的兴趣［2］。模分复用传输系统以不同模式为信息载体，以少模光纤为传输链路将传输容量扩展多倍。

多波长光纤激光器拥有较高的光束质量，简单紧凑，可以同时为对多个信道提供稳定的激光输出，满足当下对光纤系统高容量的要求。近年来，关于实现多波长输出的光纤激光器的研究也取得了重大的成果。胡松等人［3］利用受激布里渊增益和掺铒光纤的线性增益，在常温下得到波长间隔0.08 nm的多波长输出。Wang等人［4］基于偏振旋转和四波混频效应，采用保偏掺铥光纤和偏振控制器控制激光器的偏振模，并用400 m长的单模无源光纤增强四波混频效果，抑制偏振模竞争实现可调谐多波长光纤激光器。周飞等人［5］实现了基于Sagnac环的环形腔结构中通过调节偏振控制器的旋转角度来调节偏振状态，得到波长可调谐的单双波长光纤激光器。樊冰等人［6］使用一个四端口环行器和两个三端口环形器设计了一种波长间隔为0.256 nm的多波长布里渊掺铒光纤激光器。这些研究很好地实现了多波长激光输出，但是这些方法存在结构复杂、成本较高等不足。

基于多模干涉的滤波器是种简单且低成本的滤波实现方法，具有结构简单、全光纤化、插入损耗低等优点，其在光纤传感系统、光纤激光系统中的应用潜力受到了广泛重视。这种滤波器由单模或少模光纤与渐变折射率多模光纤组成，其实现可调滤波机制非常简单，模式之间的干扰效应使之可以用作频谱滤波器。A.Castillo-Guzman等人［7］基于多模干涉效应的可调滤波器通过标准的环形腔制造可调谐掺铒光纤激光器，获得了从1 549～1 609 nm的60 nm调谐范围，信噪比为40 dB。Selvas R等人［8］通过将一根单模光纤的一端拼接到有源双包层光纤，将单模光纤的另一端拼接到长度为15 mm的105/125多模光纤上来实现波长调谐。使用此原理，可调谐光纤激光器显示出8 nm的可调谐性，范围从1 088～1 097 nm，输出功率为500 mW。

多模光纤激光器也满足提高通信传输容量的要求。近年来对多模光纤激光器的研究主要为高阶模激光器及多模锁模激光器。具有稳定横模输出的光纤激光器在模分复用传输系统上的潜在应用是人们普遍期待和研究的。研究人员对多模光纤中非线性动力学进行了深入研究，发现了一系列现象［9］。少模光纤激光器还提供了一种直接产生具有高效率和模态纯度的高阶模光束的新方法。他们还为研究非线性波传播、高功率光纤激光器和随机激光器开辟了新的方向。

使用模式选择耦合器、少模光纤光栅、横向偏移拼接技术、双包层光纤［10］都能够产生高阶模式或多个模式。MAO等人［11］演示了一种插入损耗为0.36 dB基于锥形单模和双模光纤的模式耦合器，并在1 550 nm处实现了全光纤圆柱矢量激光器。在时域上连续波、调Q和锁模状态之间的操作是可控的。在38～58 mW的泵浦范围内，调Q脉冲的径向/方位角偏振的持续时间从10.4/10.8 μs到 6/6.4 μs，锁模脉冲的持续时间从39.2/31.9 ps到 5.6/5.2 ps。Shen 等人［12］实验证明了一种具有LP11横模输出的可切换窄线宽单纵模掺铒光纤环形激光器。激光器可以在两个特定波长下提供LP11横模输出的窄线宽单纵模。每个波长的20 dB线宽约为7.2 KHz和6.4 KHz。WANG等人［13］实验证明了两种在激光腔内具有高阶模振荡的全少模光纤环形激光器。一种是输出可调谐光学涡旋光束的可切换波长全少模光纤激光器。

关于多模锁模激光器的研究也在快速发展。HAN等人［14］报道了基于光纤布拉格光栅的多模振荡调Q掺铒光纤激光器。实现了LP01和LP11混合模式输出，脉冲宽度为6.2 μs，脉冲间隔为61 μs，重复频率为 17 kHz。DING等人［15］报道了时空锁模多孤子多模光纤激光器。实验结果包括多模谐波锁模和多脉冲。输出脉冲间隔为8.2 ns，重复频率为121.6 MHz，信噪比约为50 dB。UĞUR TEĞIN 等人［16］报道了第一个基于多模干涉滤波的全光纤时空锁模激光器。该激光器在1 036 nm处产生耗散孤子脉冲，平均功率为12 mW，持续时间为6.24 ps，重复频率为24.3 MHz。

本实验组提出并实现使用多模干涉滤波器的基于少模掺铒光纤的多模式振荡多波长光纤激光器。通过调节偏振控制器实现波长的可调性。这将有助于进一步提高光纤传输的容量和提高对多维激光的非线性动力学的理解。

1 实验

1.1 实验装置

本实验组提出的基于少模掺铒光纤的多模式振荡多波长光纤激光器的实验结构如图1所示。此激光器采用中心波长976 nm的多模激光器（MCMPL-976）作为泵浦源提供激励，泵浦光首先通过准直器将激光准直进空间，然后通过短波通二向色镜后被显微物镜（PLL 20X）耦合进5.5 m长的少模掺铒光纤中放大产生1.5 μm波段的光，对少模掺铒光纤的增益谱进行测量，可发现其背向增益功率较高，因此选择使用增益光纤的背向谱。少模掺铒光纤连接少模渐变型光纤后与多模偏振控制器连接，偏振控制器的作用为调节谐振腔内偏振态，并实现多波长激光的产生，偏振无关光隔离器的作用为保证谐振腔内激光的单向传输，其两端尾纤均为多模光纤。激光在偏振无关光隔离器的作用下，在环形腔中沿逆时针方向传输。一个50/50分光棱镜，一端作为激光输出端，另一端用于反馈经短波通二向色镜的反射进入显微物镜后在腔内循环，分光棱镜输出端的光经准直器耦合进少模光纤后输入到光谱分析仪（ANRITSU MS9710B）测量输出光谱。使用光束质量分析仪（CinCam CMOS-1201-IR）观测激光器输出光束轮廓。

图1 基于少模掺铒光纤的多模式振荡多波长光纤激光器的实验装置图

1.2 少模光纤

此实验共使用两种少模光纤，一种是少模掺铒光纤，另一种是渐变型无源少模光纤。所使用少模掺铒光纤横截面如图2（a）所示。纤芯半径为8 μm，该光纤为标准阶跃型折射率分布，纤芯的折射率为1.445 7，包层的折射率为1.437 8。在折射率阶跃型分布的少模掺铒光纤中，通过改变铒离子的分布实现增益均衡。该光纤中离子呈现双层分布，光纤中铒离子及折射率沿半径方向的分布情况，如图2（b）所示，光纤纤芯中部的离子浓度为 2.6×1024m-3，周围为 4.6×1024m-3。提高纤芯外部的铒离子浓度，是实现高阶模式放大的有效途径。根据计算，此光纤支持6个空间模式（包含简并模），分别是 LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02模式［17］。使用此少模掺铒光纤测量的增益谱结果如图3所示，可观察到1 560 nm处的增益最大。

图2 少模掺铒光纤示意图

图3 多模泵浦少模掺铒光纤正向增益谱

所使用的渐变型无源少模光纤纤芯直径为23 μm，支持四种模式（LP01，LP11，LP21，LP02）各模式色散依次为 21.4ps/(nm∙km)、21ps/(nm∙km)、21.6ps/(nm∙km)、22ps/(nm∙km)，衰减系数 ≤0.21 dB/km。如图4所示为实验中使用的渐变型无源少模光纤支持的LP模式的光强分布情况。从图中可看出光纤中各个模式的光场分布，不同模式下光场分布情况截然不同。

图4 渐变型少模光纤中 LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02空间模式光场强度的空间分布图

1.3 多模干涉滤波器

当任意的光信号耦合进入多模光纤后，会在光纤内激励产生若干高阶模式。在多模光纤的不同位置，激励的模式进行干涉叠加，产生不同的光能量分布，该现象被称为光纤中的多模干涉效应。多模干涉效应与传输的光信号波长相关，不同波长光在同一多模光纤中多模干涉结果各不相同，基于该效应可制成全光纤滤波器。

多模干涉滤波器的滤波峰值可以通过改变多模光纤折射率、纤芯直径、光纤长度来实现。将一段多模光纤部分缠绕在三环式偏振控制器中，通过旋转偏振控制器的各个环改变对多模光纤施加的应力，从而改变多模光纤的有效长度，实现多模光纤滤波器透射谱波长的变化。将该多模干涉结构与少模掺铒光纤相连，其透射谱如图5所示，从图中可以看出，连接多模干涉结构后光谱有明显的变化，其中有多个波长被激发。

图5 多模干涉结构透射谱

2 结果与讨论

2.1 实验结果变化过程

在实验中由于偏振控制器是连续可调的，所以通过调节偏振控制器就可以使环形腔内的损耗发生改变，从而控制不同波长激光的增益与损耗。通过逐渐增加泵浦功率并调整偏振控制器，可以记录输出功率及其相应的状态，输出功率随泵浦功率变化的曲线如图6所示。

图6 输出功率随泵浦功率变化的曲线

激光在0～2.67 W的泵浦功率范围内未振荡产生激光，当泵浦功率大于2.67 W时，输出变为连续光的第一种状态；当泵浦功率在2.9～3 W之间时，输出变为连续光的第二种状态；当泵浦功率在3～3.2 W之间时，输出变为连续光的第三种状态。由于激光腔中空间结构的存在，其中准直器和少模掺铒光纤之间的耦合方式是通过20倍显微物镜聚焦后耦合进少模掺铒光纤。聚焦后的光斑尺寸小于1 mm，明显大于少模掺铒光纤的直径（16 μm），部分泵浦在耦合过程中被损耗掉。激光经过少模光纤进入多模光纤时由于纤芯直径的差距较大，同样会导致大量的功率损耗。因此输出功率与泵浦功率的关系曲线的斜率效率仅为0.538%。

2.2 单波长可调谐结果及光束轮廓分析

在实验中将输入光功率调至2.75 W，在多模光纤滤波器透射谱峰值处得到了稳定的单波长激光输出，通过光谱分析仪测量激光器输出光谱，结果如图7（a）所示。可以看到此时激光器产生的是单波长激光，少模掺铒光纤的长度增加会使带内吸收变强，粒子数反转减弱引起的激光器发射波长红移所以中心波长为1 590.4 nm，3 dB光谱线宽约为0.08 nm，边模抑制比（SMSR）约为38.31 dB。继续增加泵浦功率至2.85 W时保持功率不变，通过调节偏振控制器旋转多模干涉滤波器，得到可调谐单波长激光输出，如图7（b）所示。

图7 单波长激光光谱

从图7中可以看出，此时调谐范围为1 572.12～1 599.72 nm。但无法通过这种机械式的轴旋转精确地控制多模光纤中的模式分布，无法得到旋转角与波长之间的关系。光束轮廓在轮廓图上显示为光束能量分布，光束能量分布对应于横向模式分布，如图8所示为基模的光束轮廓。此时测量单波长激光的光束轮廓以图9为例，与基模光束轮廓明显不同，可以判断出此时的单波长可调谐的激光中不仅含有基模光，而是多个横向模式的混合状态。

图8 基模光束轮廓图

图9 单波长输出光束轮廓图

光纤激光器的一个重要指标就是稳定性，稳定性越好越能在各个领域受到广泛应用。在输入泵浦功率为2.85 W时，对其稳定性进行了10分钟的测试。使用光功率计每隔30秒测量一次输出功率，测量结果如图10所示。从图10中可以看出，激光输出功率的波动范围为±1.1 dB，其功率波动的主要原因是空间成分的耦合和环境温度的变化。使用光谱仪每隔2分钟测量一次光谱，测量结果如图11所示。从图11中可以看出由于空间耦合部分受温度等因素影响较大，所以测得的光谱功率会有所变化，但中心波长基本保持不变。整体来看，此条件下的输出激光较为稳定。

图10 激光输出特性的功率稳定性

图11 激光输出特性的光谱稳定性

2.3 多波长可调谐结果及光束轮廓分析

在相同的外界条件下，继续增加泵浦功率至2.9 W时，得到了双波长的激光输出，保持功率不变，调节偏振控制器旋转角度，可以获得不同的双波长输出，从而实现双波长激光的可调谐。测量四组光谱，如图12所示。调谐范围为1 574.24～1 598.3 nm，波长间隔分别为13.2 nm、23.3 nm、10 nm、20.76 nm。测量的激光的光束轮廓以图13为例，与基模光束的明显不同可以判断出此时的双波长可调谐的激光是多个横向模式的混合状态。当泵浦功率上升到3 W时，还能观测到三波长激光，如图14所示，通过调节偏振控制器而改变环形腔内损耗，可以观察到不同的三波长现象，调谐范围为1 574.54～1 599.02 nm。光束轮廓图如图15所示，三波长可调谐的激光中同样为多个横向模式混合状态。

图12 双波长输出光谱

图13 双波长输出光束轮廓图

图14 三波长输出光谱

图15 三波长输出光束轮廓图

3 结论

使用支持六个模式（LP01，LP11a，LP11b，LP21a，LP21b，LP02）的少模掺铒光纤作为增益介质放大产生1.5 μm波段各模式增益均衡多模光，通过少模光纤-多模光纤-少模光纤制成的多模干涉滤波器实现了单波长可调谐多模激光及多波长可调谐多模激光输出。在2.75 W的泵浦功率时激光输出为单波长，以某一测量实验结果为例，其中心波长为1 590.4 nm，激光线宽0.08 nm，激光器的边模抑制比为38.31 dB，通过调节偏振控制器的旋转角度来调节偏振态，得到单波长可调谐范围为1 572.12～1 599.72 nm。增加泵浦功率还可得到双波长多模激光，调整偏振控制器实现波长可调谐，调谐范围为1 574.24～1 598.3 nm。继续改变功率及偏振控制器还可以得到三波长多模激光。在之后的实验中搭建全光纤结构的多模光纤激光器将提高激光效率。对多模式振荡多波长激光器的研究将提高人们对多维激光的时空动力学的理解。