基于非線性雙通MZI的多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器

延鳳平，彭萬(wàn)敬，馮　亭，劉　碩，譚思宇

（北京交通大學(xué)光波技術(shù)研究所，北京100044）

基于非線性雙通MZI的多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器

延鳳平，彭萬(wàn)敬，馮亭，劉碩，譚思宇

（北京交通大學(xué)光波技術(shù)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(zhǎng)間隔可切換多波長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)，從而實(shí)現(xiàn)室溫下多波長(zhǎng)穩(wěn)定激射。通過(guò)合理調(diào)整激光腔內(nèi)的偏振態(tài)，分別實(shí)現(xiàn)了0.2 nm和0.4 nm密集波長(zhǎng)間隔可切換的多波長(zhǎng)激光輸出，兩種狀態(tài)下的激光波長(zhǎng)個(gè)數(shù)分別為44個(gè)和25個(gè)，測(cè)量可得激光光信噪比分別高于14 dB 和30 dB。

多波長(zhǎng)；光纖激光器；強(qiáng)度相關(guān)損耗；雙通MZI濾波器

0　引言

多波長(zhǎng)光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低和效率高等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到廣大研究人員的關(guān)注，并在光纖通信、光纖傳感、微波光子及光譜學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(dǎo)致劇烈的增益競(jìng)爭(zhēng)，限制了光纖激光器的多波長(zhǎng)激光輸出。為此，國(guó)內(nèi)外研究人員做了大量的工作，包括：通過(guò)高偏振依賴的濾波器加強(qiáng)增益光纖中的偏振燒孔效應(yīng)和空間燒孔效應(yīng)［1-2］；在諧振腔內(nèi)加入頻率調(diào)制器或相位調(diào)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(lái)的非線性增益降低腔內(nèi)均勻加寬作用；利用半導(dǎo)體光放大器的非均勻加寬增益輔助［8］；以及利用腔內(nèi)的強(qiáng)度相關(guān)損耗機(jī)制（Intensity Dependent Loss，IDL）平衡多波長(zhǎng)增益。其中基于IDL的多波長(zhǎng)光纖激光器具有輸出波長(zhǎng)數(shù)多、穩(wěn)定性好和光譜平坦性好等優(yōu)點(diǎn)，因而是近幾年多波長(zhǎng)光纖激光器的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

IDL通過(guò)在激光腔內(nèi)插入一個(gè)損耗與輸入光強(qiáng)度相關(guān)的光器件，使得較高功率的激光信號(hào)會(huì)受到比較低功率的激光信號(hào)更大的損耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)激射波長(zhǎng)經(jīng)歷的腔內(nèi)總增益進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而抑制由于增益競(jìng)爭(zhēng)造成的波長(zhǎng)間增益不平衡，并最終達(dá)到多波長(zhǎng)激光穩(wěn)定輸出。研究者們提出并實(shí)現(xiàn)的IDL方案主要有：非線性光學(xué)環(huán)境（Nolinear Optical Loop Mirror，NOLM）和非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）。2006年X.Feng所在的實(shí)驗(yàn)小組提出了將基于光纖NPR的IDL作用機(jī)制用于多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器中，并實(shí)現(xiàn)了室溫下28個(gè)波長(zhǎng)的穩(wěn)定同時(shí)激射［9］，同年，他們提出了基于非對(duì)稱NOLM的多波長(zhǎng)激光器，實(shí)現(xiàn)了多達(dá)50個(gè)波長(zhǎng)的穩(wěn)定多波長(zhǎng)激光輸出［10］；2009年J.Tian等利用對(duì)稱Sagnac環(huán)中扭轉(zhuǎn)光纖的NPR設(shè)計(jì)了對(duì)稱型的NOLM，并應(yīng)用于多波長(zhǎng)光纖激光器中［11］；2010年Z.Zhang等利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)作用獲得波長(zhǎng)間隔小于0.1 nm的密集多波長(zhǎng)激光輸出［12］；2013年X.Liu利用非線性光纖放大環(huán)鏡 （Nolinear Amplifying Loop Mirror，NALM）獲得62個(gè)波長(zhǎng)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(wú)法靈活調(diào)整，不利于其實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功率閾值的優(yōu)化。

本文提出了一種基于非線性雙通MZI濾波器的多波長(zhǎng)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(yīng)特性，并能通過(guò)調(diào)整濾波器內(nèi)的光場(chǎng)偏振態(tài)靈活控制NOLM的非對(duì)稱性。利用非線性雙通MZI濾波器的波長(zhǎng)調(diào)諧性，實(shí)現(xiàn)了室溫下0.2 nm和0.4 nm兩種密集波長(zhǎng)間隔可切換的多波長(zhǎng)激光輸出，輸出激光個(gè)數(shù)分別為44個(gè)和25個(gè)。

1　非線性雙通MZI濾波器的功率響應(yīng)特性

非線性雙通MZI結(jié)構(gòu)的濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中左邊兩個(gè)3 dB耦合器相連構(gòu)成一個(gè)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(huán)路構(gòu)成了類似于NOLM的Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅同時(shí)具備濾波功能和NOLM的特性，而且可以通過(guò)調(diào)整濾波器內(nèi)的光場(chǎng)偏振態(tài)靈活控制NOLM的非對(duì)稱性，在實(shí)際應(yīng)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(jié)構(gòu)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(gè)端口1和2輸入的信號(hào)光光場(chǎng)分別為E1=［E1x，E1y］T，E2=0，光纖耦合器是偏振無(wú)關(guān)的，且分光比為κ。光場(chǎng)在非線性雙通MZI濾波器中的傳輸情況可以用以下矩陣來(lái)表示：

式中，M+、M-、和分別表示正向和反向傳輸經(jīng)過(guò)雙通MZI和光纖環(huán)鏡的Jones矩陣。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，假設(shè)非線性光纖為各向同性介質(zhì)，即不考慮非線性光纖中的雙折射，對(duì)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(yīng)引發(fā)的SPM和XPM作用分別滿足：

式中，T1和T2為MZI上、下兩個(gè)光纖干涉臂的Jones矩陣，和分別表示正、反向傳輸經(jīng)過(guò)PC0和PC1的Jones矩陣，E+和E-分別為正、反向進(jìn)入非線性光纖的電場(chǎng)。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(dá)式：

式中，Li為MZI光纖干涉臂的總長(zhǎng)度，i取1 和2分別代表上、下兩個(gè)光纖干涉臂；θs可以簡(jiǎn)單表示為PC對(duì)輸入光場(chǎng)偏振態(tài)的扭轉(zhuǎn)角度，s取0 和1。

根據(jù)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(zhǎng)相關(guān)量，因此可見(jiàn)，非線性雙通MZI濾波器的功率響應(yīng)也具有波長(zhǎng)相關(guān)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(tài)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(shù)如下：作為非線性介質(zhì)的光纖的長(zhǎng)度為7 km，非線性系數(shù)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(shù)為θ0取0，θ1取。當(dāng)入射光的功率很低時(shí)，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(shí)的透射光譜相一致。隨著入射信號(hào)光功率的增加，透射譜的峰值波長(zhǎng)附近表現(xiàn)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(xiàn)為小幅的上升。利用這一特性，可以起到波長(zhǎng)相關(guān)的功率均衡器作用。與之相反，圖2（b）中，PC的參數(shù)為θ0取，θ1取。隨著入射信號(hào)光功率的增加，透射譜的消光比不斷增加，峰值波長(zhǎng)附近表現(xiàn)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(xiàn)為小幅的下降。利用這一特性，可以起到波長(zhǎng)相關(guān)的可飽和吸收體作用。在本文的多波長(zhǎng)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(tài)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(yīng)源于NOLM中的Δ?NL，因而需要對(duì)影響Δ?NL的因素進(jìn)行討論。分析參數(shù)如下：作為非線性介質(zhì)的光纖的長(zhǎng)度為7 km，非線性系數(shù)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(shù)為θ0取0，θ1??；輸入光功率為0.5 W。和的大小，即雙通MZI的兩個(gè)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(gè)輸出端的透射率和非線性雙通MZI濾波器中的Δ?NL在波長(zhǎng)上的變化。圖3中，實(shí)線為非線性雙通MZI濾波器中的Δ?NL，點(diǎn)狀線和虛線分別為雙通MZI的兩個(gè)輸出端的透射譜。如圖3所示，雙通MZI兩個(gè)輸出端的透射譜峰值波長(zhǎng)處產(chǎn)生的Δ?NL的絕對(duì)值均為最大值，且相鄰兩個(gè)Δ?NL峰值的符號(hào)正好相反?？梢?jiàn)，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(jù)雙通MZI的透射譜峰值波長(zhǎng)與非線性雙通MZI濾波器的透射譜峰值波長(zhǎng)的關(guān)系，可知，非線性雙通MZI濾波器的透射譜峰值波長(zhǎng)具有最大的非對(duì)稱性，這一特性簡(jiǎn)化了多波長(zhǎng)激光器的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

圖3　Δ?NL隨波長(zhǎng)的變化以及雙通MZI的兩個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

利用非線性雙通MZI濾波器的濾波功能和非線性功率相應(yīng)特性，本文提出了一種環(huán)形腔多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。它包括：一個(gè)非線性雙通MZI濾波器；一段8 m長(zhǎng)摻鉺光纖作為激光器的增益介質(zhì)，該光纖的泵浦光源為一個(gè)最大輸出功率為400 mW的980 nm半導(dǎo)體激光泵浦源，并通過(guò)一個(gè)980/1550 nm的波分復(fù)用器（WDM）進(jìn)行抽運(yùn)；一個(gè)光纖隔離器保證腔內(nèi)激光單向運(yùn)轉(zhuǎn)；PC1和PC2調(diào)整腔內(nèi)偏振態(tài)；利用一個(gè)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(guò)一個(gè)光譜分析儀（OSA，YOKOGAWATM，AQ6375）進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)如圖4中虛線框所示，為保證激光器的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中所用MZI的兩臂長(zhǎng)度均較短， L1和 L2分別為30 cm和30.4 cm，對(duì)應(yīng)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(shuō)明的是，由于實(shí)驗(yàn)中用到的普通PC的實(shí)際光纖長(zhǎng)度均大于3 m，因而將影響激光器的穩(wěn)定性。由于實(shí)際光纖耦合器存在一定的固有雙折射，因而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以通過(guò)控制輸入光偏振態(tài)控制非線性雙通MZI濾波器結(jié)構(gòu)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(tái)上，從而在保證穩(wěn)定性的前提下兼顧了濾波器的調(diào)諧性。

圖5　MZI濾波器及其構(gòu)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

該基于非線性雙通MZI濾波器的多波長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)，光纖激光器無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定多波長(zhǎng)同時(shí)激射。圖6所示為泵浦功率為150 mW時(shí)的多波長(zhǎng)激光輸出光譜。通過(guò)調(diào)整PC到合適的偏振狀態(tài)上，能夠觀察到兩種不同波長(zhǎng)間隔的多波長(zhǎng)激光輸出。圖6（a）所示的多波長(zhǎng)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(nèi)有25個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)激射，且各個(gè)波長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)間隔為0.4 nm，與MZI的濾波間隔一致。圖中各波長(zhǎng)的激光3 dB帶寬均小于光譜儀的最小分辨率。通過(guò)調(diào)節(jié)PC，還能觀察到通道間隔更為密集的多波長(zhǎng)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(shí)的激光梳狀譜寬度。帶寬內(nèi)激射的激光波長(zhǎng)數(shù)達(dá)到了44個(gè)，且各個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)間隔比較接近，因而無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)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(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)間隔的激光梳狀光譜均勻性要優(yōu)于0.2 nm波長(zhǎng)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(jié)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(dǎo)致了較弱的線性雙折射，因而相鄰?fù)◣У臑V波特性有一些差異。

另外，通過(guò)調(diào)整PC的偏振狀態(tài)，該多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器的0.4 nm波長(zhǎng)間隔的輸出激光光譜也存在兩種不同的狀態(tài)，放大光譜如圖7（a）所示。調(diào)整前的光譜譜線用虛線表示，調(diào)整后的光譜譜線用實(shí)線表示。如圖7（a）所示，調(diào)整后的輸出激光波長(zhǎng)同樣間隔0.4 nm。但是相比調(diào)整前的激光光譜，波長(zhǎng)正好錯(cuò)開(kāi)0.2 nm，可見(jiàn)這兩種不同的激光輸出狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)非線性雙通MZI兩組不同的通帶。圖7（b）所示為調(diào)整后的整體激光光譜，多波長(zhǎng)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(nèi)有25個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)激射，且各個(gè)波長(zhǎng)激光的光信噪比均高于27 dB。

為了考察多波長(zhǎng)激光輸出的穩(wěn)定性，對(duì)激光輸出光譜進(jìn)行了間隔為4min的重復(fù)掃描測(cè)量，連續(xù)掃描10次，總掃描時(shí)間為40min。圖8（a）和圖8（b）中分別給出了波長(zhǎng)間隔為0.2 nm和0.4 nm的輸出激光光譜放大圖。重復(fù)觀察波長(zhǎng)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(zhǎng)摻鉺光纖激光器最大波長(zhǎng)整體漂移量小于0.05 nm，最大功率波動(dòng)分別小于0.8 dB和0.4 dB。這說(shuō)明該多波長(zhǎng)激光器在室溫條件下可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多波長(zhǎng)激光同時(shí)輸出。

4　結(jié)論

本文提出了一種具有強(qiáng)度相關(guān)透射譜的非線性雙通MZI光纖濾波器，并用于實(shí)現(xiàn)一種具有兩種波長(zhǎng)間隔并相互可切換的多波長(zhǎng)摻鉺光纖激光器。該濾波器結(jié)合了非線性光學(xué)環(huán)境的強(qiáng)度相關(guān)損耗特性以及雙通MZI型濾波器的梳狀濾波特性。由于該結(jié)構(gòu)濾波器可以改變輸入光偏振態(tài)，調(diào)整正向通過(guò)MZI型濾波器時(shí)兩個(gè)輸出端的功率差，從而進(jìn)一步調(diào)整非線性光學(xué)環(huán)境中光場(chǎng)傳輸?shù)姆腔ヒ仔?，因此具有更高的調(diào)節(jié)靈活性。通過(guò)合理調(diào)整激光腔內(nèi)的偏振態(tài)，分別實(shí)現(xiàn)了0.2 nm 和0.4 nm密集波長(zhǎng)間隔可切換的多波長(zhǎng)激光輸出，兩種狀態(tài)下的激光波長(zhǎng)個(gè)數(shù)分別為44個(gè)和25個(gè)。

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

圖7　波長(zhǎng)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(xù)掃描10次，總掃描時(shí)間為40min測(cè)量的多波長(zhǎng)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，F(xiàn)ENG 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(xiàng)目（編號(hào)：2010CB328206）；國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61275091，61327006）

延鳳平，男，教授，博士，研究方向?yàn)楣饫w通信、光纖傳感及光纖器。