基于PD-MSM-Lyot濾波器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）

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基于PD-MSM-Lyot濾波器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）

提出了一種基于偏振依賴多模-單模-多模光纖Lyot（PD-MSM-Lyot）濾波器的多波長摻鉺光纖激光器。PD-MSM-Lyot光纖濾波器由一個PD-MSM濾波器和一段保偏光纖構成，其相鄰濾波通帶具有相同波長間隔。充分利用偏振依賴MSM光纖濾波器的起偏作用并結合腔內色散位移光纖中的非線性偏振旋轉效應，構成了強度相關損耗機制，從而抑制摻鉺光纖中的增益競爭作用，獲得了室溫下19個波長間隔為0.2 nm的密集多波長激光輸出。通過對比可得，輸出激光光譜隨泵浦功率增大而變的更平坦，且波長數更多。

非線性偏振旋轉效應；多波長；密集波長間隔

0　引言

多波長光纖激光器能夠同時輸出多個波長，且具有閾值低、噪聲小、結構緊湊和光纖系統兼容性好等諸多優點，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。目前，國內外已經報道了多種實現室溫下多波長摻鉺光纖激光輸出的機理。2000年，加拿大的A. Bellemare等提出在環形腔中引入頻移器，獲得室溫下穩定的多波長摻鉺光纖激光輸出［1］；2003年，香港理工大學D.N.Wang等提出在摻鉺光纖激光腔中加入一個半導體光放大器，獲得了室溫下24個波長的多波長激光輸出［2］；2005年，A Zhang等提出利用光子晶體光纖中的四波混頻作用，實現室溫下多波長摻鉺光纖激光器［3］。不過，以上這幾種結構采用了成本較高的半導體器件或是高非線性光纖。

近幾年，研究人員為進一步簡化激光器結構和降低成本，提出了多種新型的全光纖濾波結構以增強腔內濾波光譜特性，實現室溫下多波長光纖激光輸出。2008年，S Feng等在一根保偏摻鉺上寫制兩個光纖Bragg光柵構成一體化線型諧振腔，獲得可切換雙波長穩定輸出［4］；2012年，W Wei等在摻鉺光纖腔內加入一個起偏器和兩段保偏光纖構成間隔可調Lyot濾波器，結合非線性偏振旋轉效應（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）實現了三種波長間隔的多波長激光輸出［5］；同年，Q Zhang等提出了一種基于雙包層光纖的多模-單模-多模（Multimode Singlemode Multimode，MSM）光纖濾波器，并利用腔內NPR，實現了可切換多波長摻鉺光纖激光輸出［6］；2014年，A Martinez-Rios等利用S型光纖拉錐濾波器和雙短錐馬赫曾德爾（Mach-Zehnder，MZ）光纖濾波器共同作用，獲得穩定的可切換多波長摻鉺光纖激光輸出［7］。以上結構中，保偏光纖光柵有利于壓窄激光線寬，但僅有兩個分別對應保偏光纖快慢軸的輸出通帶；Lyot濾波器濾波光譜具有一致的濾波間隔，但起偏器成本較高；基于多模干涉效應的MSM濾波器或是S型光纖拉錐濾波器制作簡單、成本低，但濾波光譜的均勻性普遍不足，因而基于該類型濾波器的光纖激光器輸出波長較少，且在MSM濾波器中接入更長的單模光纖將引入較高的插入損耗，不利于實現密集多波長濾波。

為此，本文提出并搭建了基于PD-MSM-Lyot濾波器的波長密集多波長摻鉺光纖激光器。PDMSM-Lyot濾波器由一個自制偏振依賴MSM濾波器（PD-MSM）級聯一段普通保偏光纖構成，該結構的濾波間隔具有良好的一致性。同時，將濾波器的偏振依賴特性結合腔內的NPR作用，獲得了室溫下19個波長的穩定同時激射。

1　PD-MSM-Lyot濾波原理

實驗中使用的PD-MSM濾波器的結構如圖1所示。主要由兩個SMS模式耦合器以及一段保偏光纖構成。兩個相同的SMS模式耦合器分別作為上、下模式耦合器，用以將包層模式激發或耦合回到單模光纖中進行干涉。一段保偏光纖將在MSM濾波器中引入一定的雙折射，從而具有偏振相關的依賴特性，保偏光纖與普通單模光纖的纖芯包層尺寸和折射率都相同，因而在保偏光纖和普通單模光纖之間的模式耦合作用可以忽略。

圖1　PD-MSM濾波器的結構示意圖Fig.1The schematic of PD-MSM filter

定義x軸和y軸分別對應保偏光纖的快軸和慢軸。若中間的單模光纖中的功率主要集中在基模和第v個包層模式上，則PD-MSM濾波器的透射譜可以用馬赫曾德爾干涉儀進行近似：

式中，ηf為通過模式耦合器時第f個包層模式的激發系數，且該情況滿足ηv?ηf， f≠1 or v。

由于保偏光纖的線性雙折射作用導致φx≠φy，因而根據馬赫曾德爾干涉儀的透射譜波峰波谷條件，當二者相差π的奇數倍時，PD-MSM濾波器的x軸和y軸正好交錯，從而形成偏振依賴透射譜。

實驗中所用PD-MSM濾波器的兩段多模光纖長度均為1.3 mm，多模光纖間距為4.5 mm，并包括一段1.5 mm長的普通保偏光纖，其濾波光譜如圖2所示，單一偏振態下測得PD-MSM濾波器的FSR約為87 nm。

圖2　實驗所用PD-MSM濾波器透射譜Fig.2Transmission spectra of PD-MSM filter used

由于在PD-MSM濾波器的任意一個偏振態上的透射峰值波長附近，當入射光偏振態與透射峰偏振方向平行時，受到的損耗較小；當入射光偏振態與透射峰偏振方向相垂直時，受到的損耗較大，因而寬帶PD-MSM濾波器可以起到起偏器的作用。腔內激光通過PD-MSM濾波器后形成近線偏振光，經過一定長度的保偏光纖，并由光纖環路回到PD-MSM濾波器，該環路則構成了一個Lyot型全光纖濾波結構。Lyot型全光纖濾波器要求輸入線偏振光偏振方向與保偏光纖主軸呈45°，因而通過調整PC2使得進入保偏光纖的光場偏振態滿足以上要求，設PD-MSM濾波器的主軸與保偏光纖主軸一致，則光場在進入保偏光纖后的傳輸過程可以簡單表示為［5，8］：

式中，M、P和J分別為PD-MSM濾波器、PCPC1和保偏光纖的Jones矩陣。它們的表達式分別有：

式中，Tx和Ty分別為PD-MSM濾波器在x和y偏振方向上的透射率，θ為PC1的偏振調整角度，則該Lyot型濾波結構的透射譜有：

由式（4）可得，當θ為π/4且Tx和Ty的差值越大，Lyot型濾波結構的消光比越高。若Tx＞Ty，僅當（βx-βy）LPMF=2mπ時，激光在腔內的損耗最小；若Tx＜Ty時，僅當（βx-βy）LPMF=（2m+1）π時，激光在腔內的損耗最小，式中m為任意整數。因而可得到光纖激光器的腔內濾波間隔為：

由于實驗用到的保偏光纖的雙折射在1550 nm處為6×10-4，因而對應濾波器間隔為0.2 nm。

2　激光器實驗結構及結果分析

基于寬帶PD-MSM濾波器的多波長摻鉺光纖激光器結構如圖3所示。激光器腔內主要包括：一個PD-MSM濾波器、一段20 m長的普通保偏光纖、一段8 m長的摻鉺單模光纖、一個980/1550 nm的波分復用器（WDM）、一段7 km的色散位移光纖、一個光纖隔離器、兩個PC和一個90：10的光纖耦合器。一個最大輸出功率為400 mW的半導體激光泵浦源通過980/1550 nm WDM向摻鉺光纖抽運980 nm的泵浦光；光纖隔離器保證腔內激光沿單向傳輸；兩個PC共同調整腔內的激光偏振態；90：10的光纖耦合器將激光由10%端口耦合輸出，并通過一個最小分辨率為0.05 nm的光譜分析儀（OSA，YOKOGAWATM，AQ6375）進行測量。

該光纖激光器的閾值功率為26 mW，然而由于室溫下的摻鉺光纖中存在劇烈的增益競爭并導致激光器無法獲得穩定的多波長輸出。當繼續增加泵浦功率到50 mW以上時，通過調節PC將能觀察到較穩定的多波長激光輸出。圖4（a）所示為保持泵浦功率為400 mW時的多波長激光輸出光譜。激光光譜的10 dB帶寬內有19個波長的激光實現穩定激射，且每個激光的光信噪比均高于17 dB。不過影響激光信噪比測量結果的主要因素是所用光譜儀的最小分辨率僅為0.05 nm，因而可以推斷激光實際信噪比應高于該測量值。同時，相鄰兩個激光波長的間隔為0.2 nm，與根據式（5）計算所得的腔內Lyot型濾波結構的FSR相一致。與文獻［6］中基于MSM濾波器的多波長激光器相比，該光纖激光器具有波長間隔更均勻的多波長激光輸出，且輸出激光波長數也遠大于文獻中的3個激光波長。圖4（b）所示為45 nm帶寬內多波長激光的輸出光譜，可見，整體激光消光比約為37 dB。

圖3　多波長摻鉺光纖激光器結構示意圖Fig.3Schematic of MW-EDFL

圖4　多波長激光輸出光譜Fig.4The output spectra of multiwavelength lasers

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5中給出了波長范圍為1529.6 nm～1534.2 nm的重復掃描光譜。如圖5所示，在掃描時間內，基于寬帶PD-MSM濾波器的多波長摻鉺光纖激光器的輸出激光最大波長整體漂移量小于光譜儀最小分辨率0.05 nm，最大功率波動小于0.8 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。

圖6中給出了不同泵浦功率下，該多波長光纖激光器的輸出光譜。如圖6所示，隨著泵浦功率的增加，激光波長數也隨之增加，多波長激光梳狀光譜的平坦性也越好。在室溫下能夠實現穩定多波長激光輸出的機理，可以包括兩方面：一方面是7 km長的DSF上累積的非線性偏振旋轉效應（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）產生強度相關的偏振態旋轉狀態，由于PD-MSM濾波器具有寬帶起偏作用，可轉變成相應的強度相關損耗，當調整PC使得激光的腔內損耗隨功率增加而增加時，則可以構成一個功率均衡機制［5，9-10］，從而保證在一定增益帶寬內多波長的穩定同時激射；另一方面，由于采用的是DSF光纖，其零色散點波長位于1560 nm處，但在1530 nm附近的色散表現為較低的負色散，因而在SPM及XPM作用下，同樣能夠產生一定的FWM現象［11］。由于FWM現象能夠將較高功率的激光功率轉移到其他波長上，從而同樣具有一定功率均衡作用。

圖5　連續掃描10次，總掃描時間為40min的多波長激光輸出光譜Fig.5Multiwavelength operation with 10 times repeated scanning spectra in 40 minutes

圖6　不同泵浦功率下的多波長光纖激光輸出光譜Fig.6Multiwavelength laser spectra with different pump power

3　結論

本文提出了一種基于PD-MSM-Lyot濾波器的多波長摻鉺光纖激光器，利用寬帶PD-MSM濾波器的起偏性能和保偏光纖構成了一個具有均勻濾波帶寬的Lyot濾波器結構，同時利用腔內的NPR 和FWM效應，實現了室溫下19個波長的同時穩定激射。基于該原理可通過級聯多段保偏光纖實現多種波長間隔的可切換輸出。40min內輸出激光最大波長整體漂移量小于0.05 nm，最大功率波動小于0.8 dB。

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Multiwavelength Erbium-doped Fiber Laser Based on PD-MSM-Lyot 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 based on PD-MSM-Lyot filter is proposed and demonstrated.In the structure，a comb filter with the same spacing is formed by a broad-band PD-MSM filter and a segment of polarization-maintaining fiber（PMF）.Because of the nonlinear polarization rotation effect in the dispersion-shift fiber，the intensity-dependent loss can be induced by the same PD-MSM filter，and employed to suppress the gain competition.In this case，up to 19 wavelengths with a dense spacing of 0.2 nm oscillate simultaneously at room temperature.Meanwhile，it is also found that higher pump power leads to flatter laser spectrum and more lasers.

nonlinear polarization rotation；multiwavelength；dense-spacing

U666.1

A

1674-5558（2016）03-01040

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.01.011

延鳳平，男，教授，博士，研究方向為光纖通信、光纖傳感及光纖器件。

2014-12-09

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