摘要： 光纤 M-Z 干涉仪是由两个 3dB 耦合器构成，将此干涉仪放到激光腔中通过调节其干涉状态就可以相应地调制激光腔的损耗，发挥 Q 开关的作用。从理论上模拟了 M-Z 干涉仪输出光强随相位差的改变而发生平移，并在实验中验证了这一特性，证明理论模拟的特性与实验基本符合。
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
同样求导可以得出λ=λ0+β/2α为在光纤光栅带宽内 M-Z 干涉仪输出光强最大的波长，其损耗最小，为激光器的振荡波长。当(β/2α)<0 时，激光器的振荡波长小于光纤光栅的中心波长;当(β/2α)>0 时，激光器的振荡波长大于光纤光栅的中心波长。
根据以上的理论分析，进行了实验模拟。在 M-Z干涉仪的 PZT 上加不同直流电压(电压从 0V 到 16V)时，观察光谱仪上激光器的输出光谱。实验发现，随着电压的增大，其峰值波长向长波方向移动。0V和 8V的峰值波长相差 0.1nm。继续增大电压，电压由 8V 增加到 16V，其峰值波长又向短波长方向移动，与 0 到 8V 的情况正好相反。对于有一定带宽的光纤布拉格光栅来说，光纤激光器振荡波长由上面的分析可知由光纤光栅带宽内 M-Z 干涉仪的输出光强最大波长来决定。当 PZT 上加正弦调制电压，其重复频率为 5kHz 时，由于光谱仪的响应速度比较慢，从光谱仪上看到的光谱为静态时两光谱的叠加(如图5 所示)，其 3dB带宽为 0.12nm。
3 结果与讨论
对基于 M-Z 干涉仪调 Q 掺铒光纤激光器光谱方面进行了深入的理论和实验的研究，理论与实验基本符合。M-Z干涉仪具有制作简单和对激光输出波长的宽带调谐的特性，为下一步制作宽带可调谐激光器提供了好的实验方法。
参考文献:
[1] 张在宣，冯海琪，余向东，等. 分布光纤喇曼光子传感器系统[J]. 半导体光电，1999，20(2)：83-85.
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[4] 吕福云，樊亚仙，刘玉洁，等. 全光纤调 Q 激光器的实验研究[J]. 南开大学学报(自然科学)，1999，32(1)：74-76.
[5] 杜卫冲，谭华耀，刘颂豪，等. 一种新型的光纤光栅调 Q 掺 Er 光纤激光器[J]. 光学学报，1997，17(8)：1077-1078.
[6] 夏江珍，蔡海文，任 虹，等. 全光纤调 Q 掺铒光纤激光器的脉冲研究[J]. 光子学报，2002，31(8)：989-992.
[7] 夏江珍，蔡海文，陈高庭，等. 用于光纤分布式温度传感系统的调 Q 光纤激光器的研究进展[J]. 激光与光电子学进展，2000，(12)：18-24.
基金项目：上海市科技发展基金资助项目(00JC14027)
作者简介: 夏江珍(1975-)，女(汉族)，山东威海人，博士生，主要从事光通讯器件研究。E-mail : xiajzs@sina.com
