类型a：学术研究报告
主要作者及机构 本文由来自哈尔滨工程大学”光纤集成光学教育部重点实验室”的科研团队完成，通讯作者为Bo Guo（郭波，guobo512@163.com）和Wenlei Yang（杨文蕾，ywl-_-@hotmail.com）。其他作者包括Xinyu Guo（郭心宇）、Lige Tang（唐李格）、Qiumei Chen（尘秋美）和Zhongyao Ren（任忠要）。研究成果发表于《Chinese Optics Letters》2021年7月第19卷第7期，文章编号071405。
学术背景 本研究属于光纤激光器与超快光子学领域。随着全光通信向超高速、大容量方向发展，对兼具锁模（mode-locking）和多波长（multi-wavelength）双重功能的紧凑型激光源需求日益迫切。传统方案需要在激光腔内同时使用光学梳状滤波器和锁模器，但由于高插入损耗，很难获得高平均输出功率和大于4个波长的锁模脉冲。超长周期光栅（ULPG, Ultra-Long-Period Grating）因其毫米级周期和特殊的光谱特性，可能同时具备波长滤波和脉冲整形功能，但此前从未有实验验证ULPG在光纤激光器中实现多波长锁模的研究。本研究旨在探索ULPG作为双功能器件（同时作为锁模器和梳状滤波器）在掺铒光纤激光器（EDFL）中的应用可能性。
研究流程与方法 研究团队通过六个关键步骤完成了这项突破性工作：
(1) ULPG器件的制备： 采用熔融双锥拉锥技术（fused biconical taper technique）制作ULPG样品，使用GPX-3000光纤处理系统为核心设备。具体参数：七个锥区结构，锥腰直径~75μm，锥区长度2mm，周期4mm。通过超连续谱光源（1450-1650nm）和光学光谱分析仪（Yokogawa AQ6370C）验证其传输光谱特性，发现1557.8nm和1593.4nm处有两个特征衰减带。
(2) 饱和吸收特性表征： 采用平衡双探测器方法（balanced twin-detector method）测试ULPG的非线性特性。使用中心波长1550nm、重复频率50MHz、脉宽50fs的飞秒激光器作为测试源，测得调制深度约1%，饱和强度300mW/cm²。值得注意的是，由于七个锥区结构带来的插入损耗达到7.5dB。
(3) 激光器系统构建： 搭建环形腔掺铒光纤激光器（EDFL），核心组件包括：4.5m掺铒光纤（L-900，色散参数-16.3ps/(km·nm)）、976nm泵浦激光二极管（最大功率420mW）、偏振无关隔离器、可调偏振控制器、20-135m单模光纤（色散参数18ps/(km·nm)）用于调节腔色散，以及10:90输出耦合器。
(4) 多波长锁模实验： 通过精确调节泵浦功率（30-270mW）和偏振态，先后实现了三至七波长锁模脉冲输出。特别是在93.5m单模光纤（腔色散-2.01ps²）条件下： - 三波长锁模：泵浦功率60mW，波长间隔0.8nm，3dB谱宽0.12nm - 四波长锁模：泵浦功率180mW，脉冲宽度7.8ps（经自相关仪测量） - 五/六波长锁模：泵浦功率210mW，波长间隔分别为0.86⁄1.15⁄0.98nm
(5) 腔色散效应研究： 系统改变单模光纤长度（20-135m）调控腔色散： - 20m单模光纤（色散-0.35ps²）：实现七波长锁模，波长间隔1.05nm - 135m单模光纤（色散-2.94ps²）：观察到混合孤子现象——由四波长脉冲和单孤子组成的复合脉冲
(6) 性能测试与稳定性验证： 使用功率计、光谱分析仪（ANDO AQ-6317B，分辨率0.01nm）、12.5GHz光电探测器配合5GHz示波器等进行系统测试。七波长锁模在14小时监测中展现良好稳定性（2小时间隔光谱监测）。测得最大平均输出功率8.4mW，斜率效率2.03%，对应脉冲能量4nJ（93.5m单模光纤条件下）。
主要研究成果 (1) 首次实验验证ULPG可同时作为锁模器和梳状滤波器：基于七个锥区结构的ULPG展示出1%的调制深度和周期性滤波特性。 (2) 创纪录的多波长锁模输出：在C波段实现三至七波长锁模脉冲，其中七波长输出为当时报道的最高记录。 (3) 性能参数：四波长孤子脉冲宽度7.8ps，最大平均功率8.4mW，斜率效率2.03%，对应脉冲能量4nJ。 (4) 发现新型混合孤子现象：在135m单模光纤条件下观测到由四波长脉冲和传统孤子组成的复合脉冲。 (5) 系统研究腔色散影响：证实通过调节单模光纤长度（20-135m）可有效控制输出特性，色散范围-0.35至-2.94ps²。
研究结论与价值 本研究通过创新性地将ULPG作为双功能器件引入光纤激光器，成功实现了多波长锁模运作。其科学价值体现在： (1) 拓展了ULPG的应用范围，证实其在超快光子学中的脉冲整形潜力 (2) 提出了一种新型多波长锁模激光器设计方案，简化了传统需要分立器件的复杂系统 (3) 发现的混合孤子现象为非线性光纤光学研究提供了新视角
应用价值方面： (1) 为全光通信系统提供了多波长超短脉冲光源的紧凑解决方案 (2) 在波分复用系统、光纤传感、光谱分析等领域具有应用前景 (3) ULPG器件的低成本、高可靠性优势有利于商业化推广
研究亮点 (1) 器件创新：首次将ULPG同时用作锁模器和梳状滤波器 (2) 性能突破：实现七波长锁模脉冲（当时最高记录） (3) 机理发现：观察到ULPG中七个锥区结构与最大波长数的关联性 (4) 现象发现：首次报道混合孤子脉冲 (5) 稳定性验证：14小时连续运行验证系统可靠性
其他重要发现 (1) 偏振依赖性：多波长锁模需要精确调控偏振态 (2) 波长偏移现象：锁模光谱中心波长（1535.3nm）与ULPG特征波长（1557.8nm）存在偏移，分析认为与ULPG插入损耗有关 (3) 锥区数量影响：实验结果暗示最大波长数可能与ULPG中锥区数量（七个）存在关联，这为后续优化设计提供了方向
本文通过系统的实验设计和严谨的数据分析，为超快多波长光纤激光器的发展提供了新思路，同时也为ULPG在非线性光子学中的应用开辟了新途径。