基于Tm:YAG晶体衍生的二氧化硅光纤的高效且可广泛调谐的单频光纤激光器，用于光子微波生成

《Optics & Laser Technology》：High-efficiency and widely tunable single-frequency fiber laser based on a Tm: YAG crystal-derived silica fiber for photonic microwave generation

　　

胡军|文建祥|朱明辉|刘涵|叶楠|李慧勇|罗志英|赵超月|张景深|庞福飞|王廷云

摘要

研究人员制备出一种采用自制的Tm:YAG晶体制成的硅光纤（TYDSF），其增益系数为1.37 dB/cm。利用36厘米长的TYDSF，构建了一台可调谐单频光纤激光器（TSFFL）。该激光器的连续调谐范围为1855–2018纳米，总跨度达163纳米。在1904–2008纳米范围内，激光器的光信噪比超过60 dB，斜率效率高于11.00%。在1944纳米处，激光器表现出最佳性能，最大输出功率为162毫瓦，斜率效率为14.23%，线宽为4.59千赫，相对强度噪声低于-143 dB/Hz。此外，该激光器还被用作光源，用于在2.0微米波段生成从0到50吉赫的微波信号，覆盖了5G通信的关键频段。这些结果凸显了TSFFL在光通信、医疗手术以及气体检测等领域的巨大应用潜力。

引言

2.0微米激光器工作在安全波长范围内，能在生物组织和非金属材料中产生强烈吸收效应。这些独特特性使得它们在生物医学和工业加工等领域具有广阔的应用前景[1]、[2]、[3]、[4]。此外，这一波长段与CO?、H?O和NH?等气体分子的吸收谱线重合，因此也可用于气体传感领域[5]、[6]。在快速发展的微波光子学领域，2.0微米激光器也已成为重要的光子源[7]。尤其是单频激光器，因其可通过光学外差混频产生高纯度、低相位噪声的微波信号而备受青睐。在这样的系统中，具备广泛调谐能力的单频激光器能够使微波信号在2.0微米波段的较宽频率范围内产生。同时，较高的斜率效率可确保光探测器能够获得较强的光功率输出。因此，开发一种兼具广泛调谐能力和高斜率效率的2.0微米单频激光器，对于光学相干断层扫描、多普勒风激光雷达以及5G通信而言具有重要意义[7]、[8]、[9]。

目前，大多数2.0微米环形腔结构都采用米级长度的光纤作为增益介质，以实现足够的增益[10]、[11]、[12]，但这会导致纵向模式间隔变窄，进而引发模式跳变问题。相比之下，YAG晶体制成的硅光纤（YDSFs）由于具有较高的稀土离子掺杂浓度和较低的传输损耗，受到了广泛关注，并已在仅几厘米长的超短腔结构中得到了深入研究[13]、[14]、[15]。使用这种较短长度的增益介质可以显著增加谐振器的纵向模式间隔，从而实现稳定的单纵模运行。此外，Tm:YAG晶体制成的硅光纤（TYDSFs）还具备宽带且高强度的自发辐射放大特性，同时还具有优异的机械性能，这表明它们有望用于构建可调谐激光器。不过，至今尚未有将TYDSFs应用于可调谐单频光纤激光器（TSFFLs）的相关研究。

为实现波长调谐，人们已经开发出了多种方法，包括通过机械应变或温度变化来调谐光纤布拉格光栅（FBGs）[16]、声光可调谐带通滤波器[17]、衍射光栅[18]、单模-多模-单模光纤结构[19]、[20]，以及法布里-珀罗可调谐滤波器（FP-TF）[21]、[22]、[23]、[24]。在这些方法中，基于FBG的波长调谐通常用于腔长有限的线性腔结构中，其可调谐范围一般仅限于几纳米，难以实现宽带调谐。而基于衍射光栅的可调谐光纤滤波器则能提供相对较宽的调谐范围和高光谱分辨率，但由于其半高全宽过大，无法保证单纵模运行，因此需要与超窄带滤波机制结合使用，比如具有动态光栅功能的饱和吸收体光纤，或是复合环腔结构[25]、[26]。

常见的线宽测量方法包括延迟自混频法、相位噪声分析以及拍频测量。延迟自混频法被广泛用于2.0微米单频激光器的研究中[14]、[15]、[27]。然而，2.0微米光在单模光纤中的传输损耗较高（约20 dB/km），这往往迫使研究人员将延迟光纤的长度限制在几公里以内，从而导致无法实现千赫级精度的线宽测量。另一种方法是，2025年，杨等人[13]利用布里渊/铥激光器作为窄线宽参考源，通过拍频法测量了其泵浦激光器的线宽，证明了该线宽测试系统具有适应波长变化的能力。

在本研究中，研究人员采用了自制的TYDSF作为增益光纤，构建了一种高效且具有广泛调谐范围的环形腔TSFFL。通过结合使用基于光栅的可调谐滤波器与作为饱和吸收体光纤的未泵浦铥/钬共掺光纤，实现了单纵模运行。研究人员对激光器的性能进行了系统评估，包括波长调谐范围、输出功率、噪声特性、线宽等方面。此外，该TSFFL还被用作光学外差微波系统中的光子微波源。

章节要点

TYDSF的特性及环形腔TSFFL的构建

TYDSF是通过熔融拉制法在CO?激光加热的拉制塔上制造的，所用纤维预制棒由15.0原子百分比的Tm:YAG晶体棒插入高纯度硅管中形成，制造温度约为2100摄氏度。在图1的插图中展示了用光学显微镜观察到的TYDSF样品的横截面，可见其具有清晰的核心-包层界面以及明确的波导结构。经测量，该光纤的核心直径和包层直径分别为

环形腔TSFFL的性能与应用

TSFFL的输出光谱是使用分辨率为0.05纳米的光谱分析仪记录的，如图6所示。在泵浦功率为1300毫瓦时，1855纳米处的光谱已被测量，而在1100毫瓦的泵浦功率下则测得了其他波长的光谱。该激光器的波长调谐范围为1855至2018纳米，跨度超过160纳米。如此宽广的调谐范围得益于TYDSF所提供的平坦且增益较高的宽带光谱。此外，调谐边界主要受

结论

总体而言，研究人员成功制备出了增益系数为1.37 dB/cm且具有宽带自发辐射放大特性的TYDSF，并基于这种光纤设计出了一台36厘米长的可调谐单频光纤激光器。得益于TYDSF的特性，该激光器实现了163纳米的宽广调谐范围，斜率效率也超过了8.94%。同时，紧凑的环形腔结构有助于实现稳定的单频运行。在1904–2008纳米的波长范围内，该激光器具有60–70 dB的高光信噪比，此外

作者贡献说明

胡军：论文撰写——审阅与编辑、原始稿撰写、可视化处理、验证工作、方法设计、正式分析、数据整理、概念构思。文建祥：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、概念构思。朱明辉：论文撰写——审阅与编辑。刘涵：论文撰写——审阅与编辑。叶楠：论文撰写——审阅与编辑。李慧勇：论文撰写——审阅与编辑。罗志英：论文撰写——审阅与编辑。赵超月：论文撰写——审阅与编辑。张景深：论文撰写——审阅与

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（编号U24A20312、61975113）；中国上海市自然科学基金（编号24ZR1423900）；中国111计划（编号D20031）；中国上海先进光波导智能制造与检测专业技术公共服务平台（编号19DZ229）。