基于机器学习的全偏振保持单纵模可调谐光纤激光器

《Infrared Physics & Technology》：Machine learning based all-polarization maintaining single longitudinal mode tunable fiber laser

　　

摘要

本文提出了一种基于人工神经网络辅助的1064纳米全偏振保持单纵模可调谐光纤激光器，并进行了实验验证。该激光器采用复合光纤环形腔与光纤布拉格光栅相结合的结构，从而实现单纵模运行。通过调节光纤布拉格光栅的温度来实现波长调谐。实验结果表明，该激光器的中心波长为1064.1纳米，光信噪比超过70分贝，线宽约为5.5千赫兹。由于采用全偏振保持结构，该激光器具有很强的抗环境干扰能力，在120分钟内极化消光比保持在23.60±1.64分贝，80分钟内最大波长偏移和功率波动分别仅为0.04纳米和0.4分贝。通过热调谐光纤布拉格光栅，可在10至86摄氏度的温度范围内实现约0.75纳米的波长调谐范围。此外，还引入了人工神经网络，建立调谐温度、波长与输出强度之间的非线性映射关系，从而能够预测不同温度控制条件下的激光输出光谱。在三个未参与训练过程的测试温度下，即40摄氏度、56摄氏度以及72摄氏度，预测值与实测值之间的决定系数高达0.99，表明该模型的预测精度非常好。这种方法减少了对逐点实验测量的依赖，为全偏振保持可调谐单纵模光纤激光器的光谱预测与智能控制提供了一种有效方法。

引言

单纵模光纤激光器因其窄线宽、高光谱纯度以及出色的稳定性而备受关注，已在激光雷达和高分辨率光谱分析等领域发挥着重要作用[1]、[2]、[3]、[4]。近年来，随着引力波探测和精密测量技术的发展，工作在1064纳米波长的单纵模光纤激光器因其高增益效率、优异的光束质量以及成熟的器件平台，逐渐成为窄线宽激光源研究领域的热点[5]、[6]、[7]。同时，可调谐光纤激光器在光纤传感、高速相干通信以及非线性频率转换等领域也展现出巨大的应用潜力，因为其波长可调特性可以实现信号解调、通道选择以及光谱扫描等功能[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。因此，开发稳定、窄线宽且可调谐的1064纳米单纵模光纤激光器具有重要意义。

目前，单纵模光纤激光器的谐振腔主要分为线性腔和环形腔两类[13]。与线性腔结构相比，环形腔能够有效避免空间孔烧效应，有助于获得更窄的线宽。不过，环形腔的腔长通常较长，这会导致纵模间隔变小，进而引发更强烈的模式竞争[14]、[15]。因此，将有效的模式选择结构集成到环形腔中对于实现稳定的单纵模运行至关重要。

为了提升环形腔光纤激光器的纵模选择能力，人们提出了多种基于复合光纤环形腔的模式选择策略。王等人将啁啾光纤布拉格光栅插入环形腔中，形成多个子腔，从而显著增加了纵模间隔，实现了1535至1565纳米范围内的可调谐单纵模激光输出，其光信噪比约为50分贝，线宽小于8.5千赫兹[16]。陈等人则构建了结合马赫-曾德尔干涉仪的复合光纤环形腔，实现了1.5微米波段稳定运行的单纵模激光器，其光信噪比为65分贝，线宽约为250赫兹[17]。王等人则利用两个3×3耦合器构建了与均匀光纤布拉格光栅相结合的双环复合光纤环形腔，实现了2微米波段稳定运行的单纵模激光器，其光信噪比超过70分贝，线宽约为2.91千赫兹[18]。这些研究通过构建复合光纤环形腔结构来增加有效纵模间隔，为稳定运行单纵模光纤激光器做出了重要贡献。然而，大多数采用传统单模光纤构建的复合光纤环形腔结构，其腔内偏振状态容易受到环境温度变化的影响，从而导致模式竞争、功率漂移以及波长跳变，进而影响激光器的长期稳定性[19]。目前，关于全偏振保持环形腔单纵模光纤激光器的研究仍然较少。王等人利用全偏振保持复合光纤环形腔结构实现了1550纳米波段的稳定单纵模运行，其光信噪比为83分贝，最大光谱波动为0.012纳米，线宽为459赫兹[20]。不过，该研究并未对这种激光器的调谐能力进行评估。

此外，尽管复合光纤环形腔结构能够有效提升环形腔光纤激光器的纵模选择能力，但可调谐单纵模激光器的输出状态仍会受到光纤布拉格光栅温度漂移、复合光纤环形腔的模式选择响应、增益竞争以及环境干扰等因素的影响[21]。在温度调谐过程中，激光器的输出波长并不一定会与光纤布拉格光栅的反射波长呈连续变化关系，而是会因为复合光纤环形腔的滤波特性而出现非线性甚至阶梯式的切换现象[22]。因此，仅依靠逐点实验测量不仅耗时较多，而且也无法快速预测在未被测量的温度控制条件下的输出光谱。近年来，机器学习方法越来越多地被应用于光纤激光器的参数优化、光谱预测以及智能控制领域[23]、[24]、[25]。在这些方法中，人工神经网络具备强大的非线性拟合能力，非常适合用于建立调谐温度与输出光谱之间的复杂映射关系，从而实现激光输出光谱的预测与智能控制[26]。因此，将全偏振保持复合光纤环形腔结构与基于人工神经网络的预测方法相结合，对于开发能够在1064纳米波段工作、具有较强抗环境干扰能力、窄线宽单纵模运行特性以及智能控制功能的可调谐光纤激光器具有重要意义。

本文提出了一种基于人工神经网络辅助的1064纳米全偏振保持可调谐单纵模光纤激光器光谱预测方法，并进行了实验验证。该激光器以1.5米长的掺镱光纤作为增益介质，同时结合复合光纤环形腔结构与窄带纵模选择机制，从而在1064.1纳米波长处实现稳定的单纵模运行。通过调节光纤布拉格光栅的温度，可在10至86摄氏度的温度范围内实现约0.75纳米的波长调谐范围。此外，还建立了以调谐温度和波长为输入、光谱强度为输出的人工神经网络模型，从而能够在未测量的温度条件下预测激光器的输出光谱。该方法结合了全偏振保持结构的稳定性、复合光纤环形腔的单纵模选择能力以及数据驱动的光谱预测技术，为可调谐窄线宽光纤激光器的智能控制提供了一种有效方法。

章节节选

实验装置与理论分析

所提出的全偏振保持可调谐单纵模光纤激光器的实验装置如图1所示。该激光器由主环形腔和被动复合光纤环形腔组成，同时采用了全偏振保持光纤结构来提升系统的偏振稳定性。主环形腔包括976/1064纳米波分复用器、1.5米长的掺镱光纤、光纤环行器、光纤布拉格光栅、1米长的无泵浦掺镱光纤以及9:1比例的光纤耦合器。而复合光纤环形腔则由三根光纤构成

实验结果与讨论

图4(a)展示了激光器的输出功率随976纳米泵浦功率的变化关系。当泵浦功率约为387毫瓦时，激光器的输出功率约为6.8毫瓦。对实测数据进行的线性拟合显示，拟合线性度高达99%，该激光器的斜率效率约为2.3%。与其他采用复合光纤环形腔的单纵模光纤激光器相比，较低的斜率效率可能是由于腔内使用了较长的掺镱光纤，以及1064纳米信号光被其他成分吸收所导致的

结论

本文提出了一种基于人工神经网络辅助的全偏振保持可调谐单纵模光纤激光器光谱预测方法，并进行了实验验证。通过将复合光纤环形腔与光纤布拉格光栅相结合，该激光器在1064纳米波长处实现了稳定的单纵模输出。实验结果表明，该激光器的中心波长为1064.1纳米，光信噪比超过70分贝，极化消光比保持在23.60±1.64分贝，其最大波长波动为0.04纳米，最大光功率波动为0.4分贝，射频光谱方面也表现良好

作者贡献说明

罗健：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、正式分析、数据整理。李文勋：软件应用、数据整理。刘丹青：结果验证。王浩然：论文撰写——审阅与编辑、软件应用。黄泽龙：结果验证。杨启森：结果验证。徐杰：结果验证。郭长雷：论文撰写——审阅与编辑、项目管理、资金申请。罗正谦：论文撰写——审阅与编辑、方法设计。

资助情况

本研究得到了广东省自然科学基金的支持（项目编号：2026A1515012379）。

利益冲突声明

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

我们感谢中山大学天琴任务教育部重点实验室、天琴引力物理研究中心、天琴前沿科学中心以及中国国家航天局引力波研究中心的大力支持。

Jian Luo|Wenxun Li|Danqing Liu|Haoran Wang|Zelong Huang|Qisen Yang|Jie Xu|Changlei Guo|Zhengqian Luo

中国广东省珠海市519082，中山大学（珠海校区），天琴引力物理研究中心、天琴任务教育部重点实验室、物理与天文学院、天琴前沿科学中心、中国国家航天局引力波研究中心