可调谐且波长间隔可调的多波长掺铒光纤激光器研究报告

作者及发表信息

本研究由北京交通大学光波技术研究所的Qi Zhao、Li Pei（通讯作者）、Jingjing Zheng、Min Tang、Yuheng Xie、Jing Li、Tigang Ning团队完成，发表在Elsevier旗下的期刊《Optics and Laser Technology》2020年131卷，论文标题为《Tunable and interval-adjustable multi-wavelength erbium-doped fiber laser based on cascaded filters with the assistance of NPR》。研究得到国家重点研发计划（2018YFB1801003）、国家自然科学基金（61525501、61827817）及中央高校基本科研业务费（2019YJS013）的资助。

学术背景与研究目标

研究领域与动机

多波长掺铒光纤激光器（Multi-wavelength Erbium-Doped Fiber Laser, EDFL）因其高输出功率、结构简单、低阈值、高信噪比（OSNR）和低成本等特点，在密集波分复用（DWDM）、光纤传感、光学检测等领域具有广泛应用。然而，传统EDFL受限于均匀增宽效应导致的波长竞争，难以实现灵活可调的波长输出。

本研究旨在设计一种波长可调谐且间隔可调的多波长EDFL，通过结合双段Sagnac滤波器和Lyot滤波器，并辅以非线性偏振旋转（Nonlinear Polarization Rotation, NPR）效应，突破波长竞争的限制，实现单波长至七波长的灵活切换及18 nm以上的调谐范围。

研究流程与方法

实验装置与核心组件

激光器结构如图1所示，核心组件包括：
1. 增益介质：7米长的掺铒光纤（EDF，Nufern EDFC-980-HP），吸收系数为6 dB/m@1530 nm。
2. 泵浦源：980 nm激光二极管，通过波分复用器（WDM）耦合入EDF。
3. 滤波器系统：
- 双段Sagnac滤波器：由3 dB耦合器、两段保偏光纤（PMF，长度分别为5 m和3 m，双折射率δn=6×10⁻⁴）和偏振控制器（PC1、PC2）构成，可生成0.5 nm或2 nm间隔的梳状光谱。
- Lyot滤波器：由12 cm PMF、偏振相关隔离器（PDI）和PC3/PC4组成，用于调控输出波长范围。
4. NPR效应：通过3 km单模光纤（SMF）和PC3/PC4引入强度相关损耗（IDL），抑制波长竞争。

操作原理与流程

1. 波长选择与调谐：
   
   • 通过调整PC1/PC2切换Sagnac滤波器的波长间隔（0.5 nm或2 nm）。
     
   • 调节Lyot滤波器的PC3/PC4，改变透射谱的包络位置，实现波长调谐（范围＞18 nm）。
     
   • NPR效应通过偏振依赖损耗选择特定波长输出。
     
2. 波长间隔调整：在双波长、三波长和四波长输出时，通过NPR与偏振烧孔效应（PHB）协同作用，动态调整波长间隔。
   

主要实验结果

灵活的输出特性

1. 波长数量切换：
   
   • 单波长至七波长输出（图6-8），信噪比（OSNR）＞40 dB，最高达47 dB。
     
   • 单波长、双波长和三波长可实现步进2 nm的连续调谐（图6b/d/f），而四波长及以上因波长竞争呈现非固定步长（2–4 nm）。
     
2. 波长间隔调整：
   
   • 双段Sagnac滤波器在0.5 nm间隔模式下，配合NPR可实现双波长、三波长和四波长的多间隔输出（图9）。例如，双波长间隔可从0.5 nm调整至3 nm。
     
3. 稳定性测试：
   
   • 五波长输出在5分钟内监测10次，波长漂移＜0.4 nm，功率波动＜3 dB（图10）。但六波长和七波长因SMF引入的外部干扰稳定性较低。
     

结论与价值

科学意义

1. 创新结构设计：首次将双段Sagnac滤波器与Lyot滤波器级联，结合NPR效应，实现了波长数量、调谐范围和间隔的三维灵活控制。
   
2. 高实用性：输出波长覆盖C波段（1530–1560 nm），OSNR高达47 dB，光-光转换效率0.05%，适用于DWDM网络和光纤传感等需要高灵活光源的场景。
   

技术亮点

1. 宽调谐范围：单波长调谐范围18 nm，远超传统基于光纤光栅的激光器。
   
2. 多波长间隔可调：突破了固定间隔滤波器的限制，为多参数测量提供了新工具。
   
3. 简易性与低成本：无需复杂的光栅刻写或微型干涉仪加工，全部采用商用光纤组件。
   

改进方向

若将机械式PC替换为可编程PC，可进一步提升波长控制的精确性和长期稳定性。

研究亮点总结

• 方法新颖性：级联滤波器与NPR的协同机制解决了波长竞争问题。
  
• 应用潜力：为光通信和传感系统提供了高灵活性的光源解决方案。
  
• 数据支撑：实验数据详细展示了从单波长到七波长的全参数调谐能力，验证了理论的可行性。