一种波长间隔可调谐的四波长光纤激光器

崔文翔，周雪芳，陈健兰

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

多波长光纤激光器在波分复用系统、光通信系统、微波光子学以及光传感领域具有广泛应用[1-2]。但是，室温下，掺铒光纤(Erbium-doped Fiber，EDF)具有均匀展宽的特性，加剧了模式竞争，从而导致激光器无法实现稳定的多波长输出。抑制模式竞争的方法主要包括：利用受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)[3]、四波混频(Four-Wave Mixing，FWM)[4-5]等非线性效应；利用强度相关损耗机制[6-7]或者偏振烧孔(Polarization Hole Burning，PHB)[8]效应。实现可切换多波长激光输出主要通过在激光器中插入1个梳状滤波器，例如法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot，F-P)滤波器[9]、马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)滤波器[10]、Lyot滤波器[11-12]和Sagnac环滤波器[13-14]等。

近年来，许多学者将稳频机制和滤波器相结合，实现了稳定的多波长掺铒光纤激光器。Zhou等[15]设计了一种基于MZI和NOLM的L波段多波长光纤激光器，通过改变泵浦功率和偏振控制器(Polarization Controller，PC)的偏振态实现了波长数目的调谐和多波长激光在不同通道之间的切换。朱可等[16]提出了一种基于双Sagnac环滤波器可切换的多波长光纤激光器，将保偏光纤(Polarization-Maintaining Fiber，PMF)和少模光纤组成并联双Sagnac环滤波器，调节PC并结合PHB效应得到了六波长激光输出，所获得输出激光的边模抑制比(Side Mode Suppression Ratio，SMSR)均大于34 dB。Zhao等[17]设计了一种基于复合滤波器的波长间隔可调的多波长光纤激光器，该滤波器由两段式Sagnac环和1个Lyot滤波器组成，调节PC可以产生PHB效应，抑制了模式竞争，SMSR最高可达47 dB。虽然，上述激光器可以实现多波长输出，但是，仍有一些不足，比如结构过于复杂、成本较高、波长调谐种类不够多、SMSR较低等。本文设计了一种多波长可切换的掺铒光纤激光器，滤波装置为内嵌MZI的Sagnac环结构，通过调整PC来控制腔内的增益和损耗，实现了波长间隔可调谐的多波长激光。

1 内嵌MZI的Sagnac环滤波器的结构及原理

内嵌MZI的Sagnac环滤波器结构如图1所示，由1个3dB耦合器(Optical Coupler，OC)、1段PMF、1个PC和1个自制的MZI构成。1束光从OC1的输入端进入耦合器分成2束光，其中1束光从端口3到端口4沿顺时针传输经过PMF，PC1和MZI，另1束光从端口4到端口3沿逆时针传输经过MZI，PC1，PMF，2束光最后回到OC1相干输出。

图1 内嵌MZI的Sagnac环滤波器结构

运用耦合模理论及琼斯矩阵理论[18-19]对滤波器进行特性分析。当入射光通过OC时，对应的传输矩阵为：

(1)

式中，j为虚数单位，k为OC的耦合比。

当光束经过PMF时，产生双折射效应，对应的传输矩阵为：

(2)

当入射光经过PC时，光随着偏振方向旋转θ，对应的传输矩阵为：

(3)

光束通过MZI两臂时的传输矩阵为：

(4)

单通MZI对应的传输函数为：

(5)

假设输入端口的光场强度为Ein，输出端口的光场强度为Eout，则有：

(6)

(7)

E′3=TMZIJPC1JPMFE3

(8)

(9)

(10)

因此，内嵌MZI的Sagnac环滤波器的传输函数为：

(11)

式中，E3和E4分别为OC1的2个输出端口的电场强度，E′3为顺时针经过PMF，PC1和MZI的电场强度，E′4为逆时针经过MZI，PC1和PMF的电场强度。

运用MATLAB软件对内嵌MZI的Sagnac环滤波器的传输特性进行仿真，相关参数为LPMF=1 m，Δn=4.025×10-4，neff=1.468，ΔL=2 mm，滤波器中的OC1，OC2和OC3都是3dB耦合器，即耦合比k=0.5。相关参数保持不变，偏振角度θ分别为π/6，π/4，π/3，π/2时，滤波器透射光谱如图2所示。

图2 PC在不同偏振角度θ下的透射光谱

从图2可以看出，偏转角度θ增加时，滤波器透射谱的位置没有改变，透射功率变大，消光比变高。

2 实验结果及分析

基于内嵌MZI的Sagnac环滤波器的四波长掺铒光纤激光器的实验原理如图3所示，主要包括980 nm泵浦源，980/1 550 nm波分复用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)，环形器(Circulator，CIR)，偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)，内嵌MZI的Sagnac环滤波器及PC2、一段长为5 m的EDF。滤波器中的OC1，OC2和OC3均为3dB耦合器，PMF长度为1 m，自制的MZI的两臂长差2 mm。WDM的作用是将泵浦光注入到谐振腔，EDF作为增益介质用于产生自发辐射光。CIR用于保证光束单向振荡，PBS将主腔和滤波器连接起来，并且和PC产生PHB效应用于压制模式竞争，从而获得稳定的激光输出。1个90/10的OC4作为激光器输出端口，其中，10%端口用于输出到光谱仪(Optical Spectrum Analyzer，OSA)，90%端口输出的激光继续流入腔内循环。

图3 基于内嵌MZI的Sagnac环可切换多波长掺铒光纤激光器实验原理

保持泵浦功率166 mW不变，顺时针调节2个PC的偏转角度，可以实现可调谐单波长输出。实验中，观察到4种单波长，其中心波长分别为1 558.64 nm，1 560.29 nm，1 561.05 nm，1 561.80 nm，如图4所示。使用OSA测得4种单波长的SMSR分别为55.59 dB，55.33 dB，55.39 dB，57.89 dB，均大于55.00 dB，说明输出的单波长激光可调谐、信噪比高。

图4 单波长输出光谱

在得到单波长输出的基础上，泵浦功率保持不变，继续顺时针调节2个PC的偏转角度，可以实现双波长输出。实验中，观察到4种双波长，其中心波长分别位于1 557.82 nm和1 562.70 nm，1 561.12 nm和1 562.67 nm，1 560.32 nm和1 562.79 nm以及1 558.67 nm和1 561.90 nm，如图5所示。使用OSA测得4种双波长最大峰值功率差分别为3.29 dB，1.34 dB，3.75 dB和1.80 dB，其中最大值为3.75 dB。

图5 双波长输出光谱

保持泵浦功率不变，在双波长输出的基础上，继续顺时针调节2个PC的偏转角度，可以实现三波长激光输出。实验中，观察到4种三波长，其中心波长分别为1 557.76 nm，1 561.87 nm和1 563.48 nm，1 557.97 nm，1 562.01 nm和1 564.46 nm，1 558.01 nm，1 558.76 nm和1 564.53 nm，以及1 557.10 nm，1 557.86 nm和1 563.61 nm，如图6所示。使用OSA测得4种双波长最大峰值功率差分别为4.23 dB，5.04 dB，2.08 dB和5.82 dB，其中最大值为5.82 dB。

图6 三波长输出光谱

此外，稳定性也是衡量激光器性能优劣的一个重要指标，在室温条件下测量了三波长激光的稳定性。30 min内，用OSA对1 557.76 nm，1 561.87 nm和1 563.48 nm处的三波长输出光谱进行扫描，每隔3 min进行一次扫描，得到的波长漂移分别为0.15 nm，0.18 nm和0.12 nm，如图7所示。

图7 三波长激光的波长漂移

在三波长输出的基础上，保持泵浦功率166 mW不变，继续顺时针调整2个PC的偏转角度，可以实现四波长激光输出。实验中，观察到3种四波长，其中心波长分别位于1 556.97 nm，1 557.81 nm，1 562.70 nm和1 564.30 nm，1 556.97 nm，1 558.53 nm，1 562.70 nm和1 564.30 nm以及 1 556.81 nm，1 557.67 nm，1 558.40 nm和1 562.54 nm，如图8所示。使用OSA测得3种四波长的最大峰值功率之差分别为9.44 dB，10.23 dB和8.31 dB，其中最大峰值功率之差为10.23 dB。

图8 四波长输出光谱

根据上述实验可以发现，随着波长数目的增加，最大峰值功率之差越大，功率波动越来越大，这主要由掺铒光纤激光增益产生的模式竞争导致，不稳定的泵浦功率、外界环境中轻微振动和温度变化都对实验结果产生一定影响。由于实验装置中滤波器的自由光谱范围为0.8 nm，导致模式竞争比较激烈，因此激光器输出的多波长激光功率均匀性较差。

3 结束语

本文设计了一种内嵌MZI的Sagnac环滤波器的四波长掺铒光纤激光器，通过调节激光器中的PC，实现了间隔可变的多波长输出。本文提出的激光器为全光纤化结构，结构简单，易于制作，输出激光稳定性良好，SMSR较高，调谐简单。后续将对激光器的结构展开进一步探究，通过减少腔内损耗的方法来获得更多波长数目的激光输出，进一步提升激光器的实用性。