M-Z干涉仪调Q的光谱研究

　　引 言

　　掺铒光纤激光器因其波长恰好在通信窗口 (1550nm) 波段而倍受青睐。随着光纤通信技术的飞速发展和光纤光栅的出现，以及调 Q、锁模技术的引入，掺铒光纤激光器的研究取得了突破性进展。特别地，调Q 光纤激光器在光纤分布式传感系统[1]、光时域发射计和激光测赭应用中有广泛应用前景。近年来在光纤激光器调 Q 技术的研究中，已采用了声光调 Q[2]和电光调 Q[3]等技术。但这两种 Q 开关是体光学组件，激光腔内存在光纤同 Q 开关装置之间的耦合，这就不可避免地引入额外损耗，并引入不稳定性。为了克服这一问题，近几年来，全光纤的 M-Z干涉仪[4]、Michelson干涉仪[5]以及光纤光栅环形镜[6]作为调Q 装置已有报道。光纤 M-Z 干涉仪具有制作简单和对激光输出波长宽带调谐的特性。在光谱仪上观察，采用 M-Z 干涉仪作为调 Q 装置其动态比静态时光谱要展宽。本文对光纤 M-Z干涉仪光谱方面进行了深入的理论和实验的研究。发现由于 M-Z干涉仪输出光强随相对相位差的改变而平移，致使光纤激光器的输出波长由光纤光栅带宽内 M-Z干涉仪的输出光强最大波长决定。

　　1 M-Z 干涉仪调 Q 方案的理论分析

　　M-Z 干涉仪的结构如图1 所示。假设光从端口1 输入，耦合器1 和2 的耦合系数相同均为 22sin :cos，端口2 输出的光强与端口1 输入光强之比为

干涉仪一个干涉周期, 臂长差的改变为δL=0.56μm，PZT 上所加的电压差为 8V。图3(a)是在不同耦合系数(sin2 =0.2, 0.3, 0.498)下，端口2 的输出光强。可以看出耦合系数越大其输出光强越大。图3(b)是在相同的耦合系数sin2 =0.498，不同的相位(βδL,β(δL+0.56μm))时端口2 的输出光强。从图中可以看出，M-Z 干涉仪输出光强随相对相位差的改变而平移。

　　图4(a)和图 4(b)分别为实验中所测的 PZT 上加不同电压时(0V，8V)的光谱图。竖线 A 和 B 所对应为光纤激光器中所用光纤光栅带宽内的最长和最短波长。从输出光谱可以看出，在光纤光栅的带宽内，M-Z干涉仪的相对最大强度落在不同的波长上。

　　2 M-Z干涉仪调 Q 实验中的光谱研究

　　M-Z 干涉仪的调 Q 光纤激光器的实验装置见参考文献[7]中的图 4。实验中光纤光栅的带宽为 ν，假设光纤光栅的中心波长与 M-Z干涉仪输出光强最大处重合。归一化光纤光栅的反射谱并将其包络用函数表示为：20( )e α λ λ，其中λ0为光纤光栅的中心波长，求导可以得出在光纤光栅带宽内λ=λ0时光强度最大。这样在激光腔中，λ=λ0的损耗最小，从而为激光的振荡波长。当光纤光栅的中心波长与 M-Z干涉仪输出光强最大处不重合时，包络可以表示为