基于非線性雙通MZI的多波長摻鉺光纖激光器

延鳳平，彭萬敬，馮　亭，劉　碩，譚思宇

（北京交通大學光波技術研究所，北京100044）

基于非線性雙通MZI的多波長摻鉺光纖激光器

延鳳平，彭萬敬，馮亭，劉碩，譚思宇

（北京交通大學光波技術研究所，北京100044）

提出了一種基于非線性雙通MZI光纖濾波器的波長間隔可切換多波長摻鉺光纖激光器。非線性雙通MZI光纖濾波器除了多通濾波作用還具有功率均衡作用，能有效抑制摻鉺光纖的增益競爭，從而實現室溫下多波長穩定激射。通過合理調整激光腔內的偏振態，分別實現了0.2 nm和0.4 nm密集波長間隔可切換的多波長激光輸出，兩種狀態下的激光波長個數分別為44個和25個，測量可得激光光信噪比分別高于14 dB 和30 dB。

多波長；光纖激光器；強度相關損耗；雙通MZI濾波器

0　引言

多波長光纖激光器具有結構緊湊、成本低和效率高等優勢，近年來受到廣大研究人員的關注，并在光纖通信、光纖傳感、微波光子及光譜學領域具有廣泛的應用前景。然而石英基摻鉺光纖在室溫下由于均勻加寬特性而導致劇烈的增益競爭，限制了光纖激光器的多波長激光輸出。為此，國內外研究人員做了大量的工作，包括：通過高偏振依賴的濾波器加強增益光纖中的偏振燒孔效應和空間燒孔效應［1-2］；在諧振腔內加入頻率調制器或相位調制器［3-4］；利用光纖中受激布里淵散射［5］、受激喇曼散射［6］以及四波混頻作用［7］帶來的非線性增益降低腔內均勻加寬作用；利用半導體光放大器的非均勻加寬增益輔助［8］；以及利用腔內的強度相關損耗機制（Intensity Dependent Loss，IDL）平衡多波長增益。其中基于IDL的多波長光纖激光器具有輸出波長數多、穩定性好和光譜平坦性好等優點，因而是近幾年多波長光纖激光器的一個研究熱點。

IDL通過在激光腔內插入一個損耗與輸入光強度相關的光器件，使得較高功率的激光信號會受到比較低功率的激光信號更大的損耗，實現對每個激射波長經歷的腔內總增益進行自動調整，從而抑制由于增益競爭造成的波長間增益不平衡，并最終達到多波長激光穩定輸出。研究者們提出并實現的IDL方案主要有：非線性光學環境（Nolinear Optical Loop Mirror，NOLM）和非線性偏振旋轉效應（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）。2006年X.Feng所在的實驗小組提出了將基于光纖NPR的IDL作用機制用于多波長摻鉺光纖激光器中，并實現了室溫下28個波長的穩定同時激射［9］，同年，他們提出了基于非對稱NOLM的多波長激光器，實現了多達50個波長的穩定多波長激光輸出［10］；2009年J.Tian等利用對稱Sagnac環中扭轉光纖的NPR設計了對稱型的NOLM，并應用于多波長光纖激光器中［11］；2010年Z.Zhang等利用非線性偏振旋轉作用獲得波長間隔小于0.1 nm的密集多波長激光輸出［12］；2013年X.Liu利用非線性光纖放大環鏡 （Nolinear Amplifying Loop Mirror，NALM）獲得62個波長的激光輸出［13-14］。然而，以上的IDL器件本身不具備濾波功能，而且NOLM的分光耦合比無法靈活調整，不利于其實現開關功率閾值的優化。

本文提出了一種基于非線性雙通MZI濾波器的多波長摻鉺光纖激光器。非線性雙通MZI濾波器兼具雙通MZI濾波器的濾波特性以及NOLM的功率響應特性，并能通過調整濾波器內的光場偏振態靈活控制NOLM的非對稱性。利用非線性雙通MZI濾波器的波長調諧性，實現了室溫下0.2 nm和0.4 nm兩種密集波長間隔可切換的多波長激光輸出，輸出激光個數分別為44個和25個。

1　非線性雙通MZI濾波器的功率響應特性

非線性雙通MZI結構的濾波器結構如圖1所示。圖1中左邊兩個3 dB耦合器相連構成一個全光纖雙通Mach-Zehnder干涉儀（MZI），而3 dB耦合器連接的右邊光纖環路構成了類似于NOLM的Sagnac干涉儀結構。該結構不僅同時具備濾波功能和NOLM的特性，而且可以通過調整濾波器內的光場偏振態靈活控制NOLM的非對稱性，在實際應用中具有很高的靈活性。下面分析非線性雙通MZI濾波器的傳輸特性。

圖1　非線性雙通MZI結構的濾波器示意圖Fig.1　Schematic of nonlinear DP-MZI filter

首先定義光纖中平行于非線性雙通MZI濾波器平面的偏振主軸為x軸，垂直于非線性雙通MZI濾波器平面的偏振主軸為y軸，且有從左邊兩個端口1和2輸入的信號光光場分別為E1=［E1x，E1y］T，E2=0，光纖耦合器是偏振無關的，且分光比為κ。光場在非線性雙通MZI濾波器中的傳輸情況可以用以下矩陣來表示：

式中，M+、M-、和分別表示正向和反向傳輸經過雙通MZI和光纖環鏡的Jones矩陣。為了簡化分析過程，假設非線性光纖為各向同性介質，即不考慮非線性光纖中的雙折射，對于光纖中的非線性作用，如果輸入光為線偏振光或者圓偏振光情況，則非線性光纖中的Kerr效應引發的SPM和XPM作用分別滿足：

式中，T1和T2為MZI上、下兩個光纖干涉臂的Jones矩陣，和分別表示正、反向傳輸經過PC0和PC1的Jones矩陣，E+和E-分別為正、反向進入非線性光纖的電場。非線性雙通MZI濾波器中的相位偏置主要由PC0和PC1控制。不考慮干涉臂的光纖中不均勻的雙折射微擾，以下是Ti和的表達式：

式中，Li為MZI光纖干涉臂的總長度，i取1 和2分別代表上、下兩個光纖干涉臂；θs可以簡單表示為PC對輸入光場偏振態的扭轉角度，s取0 和1。

根據式（1），非線性雙通MZI濾波器的非線性相位差有：

由于E+和E-是由雙通MZI的干涉特性決定，是波長相關量，因此可見，非線性雙通MZI濾波器的功率響應也具有波長相關性。

綜上所得，非線性雙通MZI濾波器的反射率和透射率分別為：

圖2所示為兩種PC狀態下，非線性雙通MZI濾波器的透射譜隨著輸入功率的變化。分析參數如下：作為非線性介質的光纖的長度為7 km，非線性系數為1.1 W-1km-1，且其損耗可以忽略，即L0=Leff；|L1-L2|=0.004 m。圖2（a）中，PC的參數為θ0取0，θ1取。當入射光的功率很低時，非線性雙通MZI濾波器的透射譜與上文中不考慮光纖非線性時的透射光譜相一致。隨著入射信號光功率的增加，透射譜的峰值波長附近表現為透射率不斷下降，而在透射峰半高全寬（FWHM）以外的波段則表現為小幅的上升。利用這一特性，可以起到波長相關的功率均衡器作用。與之相反，圖2（b）中，PC的參數為θ0取，θ1取。隨著入射信號光功率的增加，透射譜的消光比不斷增加，峰值波長附近表現為透射率不斷上升，而在透射峰半高全寬以外的波段則表現為小幅的下降。利用這一特性，可以起到波長相關的可飽和吸收體作用。在本文的多波長光纖激光器中，主要利用的是圖2（a）中的功率均衡作用。

圖2　兩種PC狀態下，非線性雙通MZI濾波器的透射譜隨著輸入功率的變化Fig.2　Two typical power response of nonlinear DP-MZI filter

由于非線性雙通MZI濾波器的功率響應源于NOLM中的Δ?NL，因而需要對影響Δ?NL的因素進行討論。分析參數如下：作為非線性介質的光纖的長度為7 km，非線性系數為1.1 W-1km-1，且其損耗可以忽略，即L0=Leff；||L1-L2=0.004 m； PC的參數為θ0取0，θ1取；輸入光功率為0.5 W。和的大小，即雙通MZI的兩個輸出端的光功率大小是影響Δ?NL大小的主要因素之一。圖3中給出了雙通MZI的兩個輸出端的透射率和非線性雙通MZI濾波器中的Δ?NL在波長上的變化。圖3中，實線為非線性雙通MZI濾波器中的Δ?NL，點狀線和虛線分別為雙通MZI的兩個輸出端的透射譜。如圖3所示，雙通MZI兩個輸出端的透射譜峰值波長處產生的Δ?NL的絕對值均為最大值，且相鄰兩個Δ?NL峰值的符號正好相反。可見，雙通MZI的透射譜的透射譜消光比越大，則Δ?NL的最大值也就越大。根據雙通MZI的透射譜峰值波長與非線性雙通MZI濾波器的透射譜峰值波長的關系，可知，非線性雙通MZI濾波器的透射譜峰值波長具有最大的非對稱性，這一特性簡化了多波長激光器的設計復雜性。

圖3　Δ?NL隨波長的變化以及雙通MZI的兩個輸出端的透射譜Fig.3　Δ?NLversus the wavelength and transmission spectra of two ports of MZI filter

2　激光器實驗結構

利用非線性雙通MZI濾波器的濾波功能和非線性功率相應特性，本文提出了一種環形腔多波長摻鉺光纖激光器結構，其結構如圖4所示。它包括：一個非線性雙通MZI濾波器；一段8 m長摻鉺光纖作為激光器的增益介質，該光纖的泵浦光源為一個最大輸出功率為400 mW的980 nm半導體激光泵浦源，并通過一個980/1550 nm的波分復用器（WDM）進行抽運；一個光纖隔離器保證腔內激光單向運轉；PC1和PC2調整腔內偏振態；利用一個90：10光纖耦合器的10%輸出端將激光耦合輸出；輸出激光光譜通過一個光譜分析儀（OSA，YOKOGAWATM，AQ6375）進行測量，測量最小分辨率為0.05 nm。

圖4　基于非線性雙通MZI濾波器的多波長摻鉺光纖激光器Fig.4　Schematic of MW-EDFL based on nonlinear DPMZI filter

非線性雙通MZI濾波器結構如圖4中虛線框所示，為保證激光器的穩定性，實驗中所用MZI的兩臂長度均較短， L1和 L2分別為30 cm和30.4 cm，對應MZI濾波器的FSR為0.4 nm。圖5所示為單通MZI濾波器及非線性雙通MZI濾波器的透射譜。如圖5所示，MZI濾波間隔正好是非線性雙通MZI濾波器的2倍FSR。值得說明的是，由于實驗中用到的普通PC的實際光纖長度均大于3 m，因而將影響激光器的穩定性。由于實際光纖耦合器存在一定的固有雙折射，因而在實驗過程中，可以通過控制輸入光偏振態控制非線性雙通MZI濾波器結構的濾波特性，因而將普通PC置于濾波器輸入端，并將非線性雙通MZI濾波器固定在隔震平臺上，從而在保證穩定性的前提下兼顧了濾波器的調諧性。

圖5　MZI濾波器及其構成的非線性雙通MZI濾波器的透射譜Fig.5　Transmission spectra of MZI filter and nonlinear DP-MZI filter

3　實驗結果及討論

該基于非線性雙通MZI濾波器的多波長摻鉺光纖激光器的閾值功率為20 mW。然而由于摻鉺光纖中存在較大的增益競爭，光纖激光器無法實現穩定多波長同時激射。圖6所示為泵浦功率為150 mW時的多波長激光輸出光譜。通過調整PC到合適的偏振狀態上，能夠觀察到兩種不同波長間隔的多波長激光輸出。圖6（a）所示的多波長激光梳狀光譜的10 dB光譜帶寬覆蓋了1557.7nm～1568.5 nm波段，帶寬為10.8 nm。輸出激光10 dB光譜帶寬內有25個波長同時激射，且各個波長激光的光信噪比均高于30 dB。圖6（b）所示為圖6（a）的光譜放大圖。相鄰兩個波長間隔為0.4 nm，與MZI的濾波間隔一致。圖中各波長的激光3 dB帶寬均小于光譜儀的最小分辨率。通過調節PC，還能觀察到通道間隔更為密集的多波長激光梳狀光譜，如圖6（c）所示。輸出激光的10 dB光譜帶寬覆蓋了1556.2nm～1565.1 nm波段，帶寬為8.9 nm，略小于間隔為0.4 nm時的激光梳狀譜寬度。帶寬內激射的激光波長數達到了44個，且各個波長激光的光信噪比均高于14 dB。較低的光信噪比主要是由于光譜儀的分辨率與激光波長間隔比較接近，因而無法準確測量激光光譜的光信噪比。圖6 （d）所示為圖6（c）的光譜放大圖。相鄰兩個波長間隔為0.2 nm，與非線性雙通MZI濾波器的濾波間隔一致。圖中各波長的激光3 dB帶寬均小于光譜儀的最小分辨率。與圖6（b）相比，0.4 nm波長間隔的激光梳狀光譜均勻性要優于0.2 nm波長間隔的激光梳狀光譜，這與上文中非線性雙通MZI相鄰濾波通帶相位相反的結論相一致，由于非線性雙通MZI中各器件存在一定的制作缺陷，導致了較弱的線性雙折射，因而相鄰通帶的濾波特性有一些差異。

另外，通過調整PC的偏振狀態，該多波長摻鉺光纖激光器的0.4 nm波長間隔的輸出激光光譜也存在兩種不同的狀態，放大光譜如圖7（a）所示。調整前的光譜譜線用虛線表示，調整后的光譜譜線用實線表示。如圖7（a）所示，調整后的輸出激光波長同樣間隔0.4 nm。但是相比調整前的激光光譜，波長正好錯開0.2 nm，可見這兩種不同的激光輸出狀態分別對應非線性雙通MZI兩組不同的通帶。圖7（b）所示為調整后的整體激光光譜，多波長激光梳狀光譜的10 dB光譜帶寬覆蓋了1557.2nm～1567 nm波段，帶寬為9.8 nm。輸出激光10 dB光譜帶寬內有25個波長同時激射，且各個波長激光的光信噪比均高于27 dB。

為了考察多波長激光輸出的穩定性，對激光輸出光譜進行了間隔為4min的重復掃描測量，連續掃描10次，總掃描時間為40min。圖8（a）和圖8（b）中分別給出了波長間隔為0.2 nm和0.4 nm的輸出激光光譜放大圖。重復觀察波長范圍分別為1560.7nm～1563.7 nm和1560nm～1564.1 nm。如圖8所示，基于非線性雙通MZI濾波器的多波長摻鉺光纖激光器最大波長整體漂移量小于0.05 nm，最大功率波動分別小于0.8 dB和0.4 dB。這說明該多波長激光器在室溫條件下可以實現穩定的多波長激光同時輸出。

4　結論

本文提出了一種具有強度相關透射譜的非線性雙通MZI光纖濾波器，并用于實現一種具有兩種波長間隔并相互可切換的多波長摻鉺光纖激光器。該濾波器結合了非線性光學環境的強度相關損耗特性以及雙通MZI型濾波器的梳狀濾波特性。由于該結構濾波器可以改變輸入光偏振態，調整正向通過MZI型濾波器時兩個輸出端的功率差，從而進一步調整非線性光學環境中光場傳輸的非互易性，因此具有更高的調節靈活性。通過合理調整激光腔內的偏振態，分別實現了0.2 nm 和0.4 nm密集波長間隔可切換的多波長激光輸出，兩種狀態下的激光波長個數分別為44個和25個。

圖6　兩種不同波長間隔的多波長激光輸出光譜Fig.6　Multiwavelength laser spectra with two different spacing

圖7　波長間隔為0.4 nm的輸出激光光譜Fig.7　Multiwavelength laser spectra with a spacing of 0.4 nm

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圖8　連續掃描10次，總掃描時間為40min測量的多波長激光輸出光譜Fig.8　Multiwavelength laser spectra with 10 times repeated scanning in 40 minutes，corresponding to a wavelength spacing.

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Multiwavelength Erbium-doped Fiber Laser Using a Nonlinear Dual-pass Mach-Zehnder Interferometer Filter

YAN Feng-ping，PENG Wan-jing，FENG Ting，LIU Shuo，TAN Si-yu
（Institute of Lightwave Technology，Beijing Jiao Tong University，Beijing 100044）

A multiwavelength Erbium-doped fiber laser using a nonlinear dual-pass Mach-Zehnder interferometer （MZI）filter is proposed and demonstrated.Nonlinear dual-pass MZI filter is used as not only a multi-channel filter and also a gain-equalizer，which can suppress the gain competition in Erbium-doped fiber，thus the multiwavelength laser ouput is achieved at room temperature.By adjusting the polarization state in the cavity，multiwavelength laser comb with two different spacing，0.2 nm and 0.4 nm can be switched to oscillation.In the situation of 0.2 nm laser spacing，up to 44-wavelength laser combs with the OSNR of 14 dB is achieved；the wavelength shift and the power fluctuation is less than 0.05 nm and 0.8 dB，respectively.In the situation of 0.4 nm laser spacing，up to 25-wavelength laser combs with the OSNR of 30 dB is achieved.

multiwavelength；fiber laser；intensity-dependent loss；dual-pass MZI

U666.1

A

1674-5558（2016）03-01039

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.011

2014-12-09

973項目（編號：2010CB328206）；國家自然科學基金（編號：61275091，61327006）

延鳳平，男，教授，博士，研究方向為光纖通信、光纖傳感及光纖器。