基于PD-MSM-Lyot滤波器的多波长掺铒光纤激光器

延凤平，彭万敬，冯亭，刘硕，谭思宇

（北京交通大学光波技术研究所，北京100044）



基于PD-MSM-Lyot滤波器的多波长掺铒光纤激光器

延凤平，彭万敬，冯亭，刘硕，谭思宇

（北京交通大学光波技术研究所，北京100044）

提出了一种基于偏振依赖多模-单模-多模光纤Lyot（PD-MSM-Lyot）滤波器的多波长掺铒光纤激光器。PD-MSM-Lyot光纤滤波器由一个PD-MSM滤波器和一段保偏光纤构成，其相邻滤波通带具有相同波长间隔。充分利用偏振依赖MSM光纤滤波器的起偏作用并结合腔内色散位移光纤中的非线性偏振旋转效应，构成了强度相关损耗机制，从而抑制掺铒光纤中的增益竞争作用，获得了室温下19个波长间隔为0.2 nm的密集多波长激光输出。通过对比可得，输出激光光谱随泵浦功率增大而变的更平坦，且波长数更多。

非线性偏振旋转效应；多波长；密集波长间隔

0　引言

多波长光纤激光器能够同时输出多个波长，且具有阈值低、噪声小、结构紧凑和光纤系统兼容性好等诸多优点，在光纤通信、光纤传感、微波光子及光谱学领域具有广泛的应用前景。目前，国内外已经报道了多种实现室温下多波长掺铒光纤激光输出的机理。2000年，加拿大的A. Bellemare等提出在环形腔中引入频移器，获得室温下稳定的多波长掺铒光纤激光输出［1］；2003年，香港理工大学D.N.Wang等提出在掺铒光纤激光腔中加入一个半导体光放大器，获得了室温下24个波长的多波长激光输出［2］；2005年，A Zhang等提出利用光子晶体光纤中的四波混频作用，实现室温下多波长掺铒光纤激光器［3］。不过，以上这几种结构采用了成本较高的半导体器件或是高非线性光纤。

近几年，研究人员为进一步简化激光器结构和降低成本，提出了多种新型的全光纤滤波结构以增强腔内滤波光谱特性，实现室温下多波长光纤激光输出。2008年，S Feng等在一根保偏掺铒上写制两个光纤Bragg光栅构成一体化线型谐振腔，获得可切换双波长稳定输出［4］；2012年，W Wei等在掺铒光纤腔内加入一个起偏器和两段保偏光纤构成间隔可调Lyot滤波器，结合非线性偏振旋转效应（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）实现了三种波长间隔的多波长激光输出［5］；同年，Q Zhang等提出了一种基于双包层光纤的多模-单模-多模（Multimode Singlemode Multimode，MSM）光纤滤波器，并利用腔内NPR，实现了可切换多波长掺铒光纤激光输出［6］；2014年，A Martinez-Rios等利用S型光纤拉锥滤波器和双短锥马赫曾德尔（Mach-Zehnder，MZ）光纤滤波器共同作用，获得稳定的可切换多波长掺铒光纤激光输出［7］。以上结构中，保偏光纤光栅有利于压窄激光线宽，但仅有两个分别对应保偏光纤快慢轴的输出通带；Lyot滤波器滤波光谱具有一致的滤波间隔，但起偏器成本较高；基于多模干涉效应的MSM滤波器或是S型光纤拉锥滤波器制作简单、成本低，但滤波光谱的均匀性普遍不足，因而基于该类型滤波器的光纤激光器输出波长较少，且在MSM滤波器中接入更长的单模光纤将引入较高的插入损耗，不利于实现密集多波长滤波。

为此，本文提出并搭建了基于PD-MSM-Lyot滤波器的波长密集多波长掺铒光纤激光器。PDMSM-Lyot滤波器由一个自制偏振依赖MSM滤波器（PD-MSM）级联一段普通保偏光纤构成，该结构的滤波间隔具有良好的一致性。同时，将滤波器的偏振依赖特性结合腔内的NPR作用，获得了室温下19个波长的稳定同时激射。

1　PD-MSM-Lyot滤波原理

实验中使用的PD-MSM滤波器的结构如图1所示。主要由两个SMS模式耦合器以及一段保偏光纤构成。两个相同的SMS模式耦合器分别作为上、下模式耦合器，用以将包层模式激发或耦合回到单模光纤中进行干涉。一段保偏光纤将在MSM滤波器中引入一定的双折射，从而具有偏振相关的依赖特性，保偏光纤与普通单模光纤的纤芯包层尺寸和折射率都相同，因而在保偏光纤和普通单模光纤之间的模式耦合作用可以忽略。

图1　PD-MSM滤波器的结构示意图Fig.1The schematic of PD-MSM filter

定义x轴和y轴分别对应保偏光纤的快轴和慢轴。若中间的单模光纤中的功率主要集中在基模和第v个包层模式上，则PD-MSM滤波器的透射谱可以用马赫曾德尔干涉仪进行近似：

式中，ηf为通过模式耦合器时第f个包层模式的激发系数，且该情况满足ηv≫ηf， f≠1 or v。

由于保偏光纤的线性双折射作用导致φx≠φy，因而根据马赫曾德尔干涉仪的透射谱波峰波谷条件，当二者相差π的奇数倍时，PD-MSM滤波器的x轴和y轴正好交错，从而形成偏振依赖透射谱。

实验中所用PD-MSM滤波器的两段多模光纤长度均为1.3 mm，多模光纤间距为4.5 mm，并包括一段1.5 mm长的普通保偏光纤，其滤波光谱如图2所示，单一偏振态下测得PD-MSM滤波器的FSR约为87 nm。

图2　实验所用PD-MSM滤波器透射谱Fig.2Transmission spectra of PD-MSM filter used

由于在PD-MSM滤波器的任意一个偏振态上的透射峰值波长附近，当入射光偏振态与透射峰偏振方向平行时，受到的损耗较小；当入射光偏振态与透射峰偏振方向相垂直时，受到的损耗较大，因而宽带PD-MSM滤波器可以起到起偏器的作用。腔内激光通过PD-MSM滤波器后形成近线偏振光，经过一定长度的保偏光纤，并由光纤环路回到PD-MSM滤波器，该环路则构成了一个Lyot型全光纤滤波结构。Lyot型全光纤滤波器要求输入线偏振光偏振方向与保偏光纤主轴呈45°，因而通过调整PC2使得进入保偏光纤的光场偏振态满足以上要求，设PD-MSM滤波器的主轴与保偏光纤主轴一致，则光场在进入保偏光纤后的传输过程可以简单表示为［5，8］：

式中，M、P和J分别为PD-MSM滤波器、PCPC1和保偏光纤的Jones矩阵。它们的表达式分别有：

式中，Tx和Ty分别为PD-MSM滤波器在x和y偏振方向上的透射率，θ为PC1的偏振调整角度，则该Lyot型滤波结构的透射谱有：

由式（4）可得，当θ为π/4且Tx和Ty的差值越大，Lyot型滤波结构的消光比越高。若Tx＞Ty，仅当（βx-βy）LPMF=2mπ时，激光在腔内的损耗最小；若Tx＜Ty时，仅当（βx-βy）LPMF=（2m+1）π时，激光在腔内的损耗最小，式中m为任意整数。因而可得到光纤激光器的腔内滤波间隔为：

由于实验用到的保偏光纤的双折射在1550 nm处为6×10-4，因而对应滤波器间隔为0.2 nm。

2　激光器实验结构及结果分析

基于宽带PD-MSM滤波器的多波长掺铒光纤激光器结构如图3所示。激光器腔内主要包括：一个PD-MSM滤波器、一段20 m长的普通保偏光纤、一段8 m长的掺铒单模光纤、一个980/1550 nm的波分复用器（WDM）、一段7 km的色散位移光纤、一个光纤隔离器、两个PC和一个90：10的光纤耦合器。一个最大输出功率为400 mW的半导体激光泵浦源通过980/1550 nm WDM向掺铒光纤抽运980 nm的泵浦光；光纤隔离器保证腔内激光沿单向传输；两个PC共同调整腔内的激光偏振态；90：10的光纤耦合器将激光由10%端口耦合输出，并通过一个最小分辨率为0.05 nm的光谱分析仪（OSA，YOKOGAWATM，AQ6375）进行测量。

该光纤激光器的阈值功率为26 mW，然而由于室温下的掺铒光纤中存在剧烈的增益竞争并导致激光器无法获得稳定的多波长输出。当继续增加泵浦功率到50 mW以上时，通过调节PC将能观察到较稳定的多波长激光输出。图4（a）所示为保持泵浦功率为400 mW时的多波长激光输出光谱。激光光谱的10 dB带宽内有19个波长的激光实现稳定激射，且每个激光的光信噪比均高于17 dB。不过影响激光信噪比测量结果的主要因素是所用光谱仪的最小分辨率仅为0.05 nm，因而可以推断激光实际信噪比应高于该测量值。同时，相邻两个激光波长的间隔为0.2 nm，与根据式（5）计算所得的腔内Lyot型滤波结构的FSR相一致。与文献［6］中基于MSM滤波器的多波长激光器相比，该光纤激光器具有波长间隔更均匀的多波长激光输出，且输出激光波长数也远大于文献中的3个激光波长。图4（b）所示为45 nm带宽内多波长激光的输出光谱，可见，整体激光消光比约为37 dB。

图3　多波长掺铒光纤激光器结构示意图Fig.3Schematic of MW-EDFL

图4　多波长激光输出光谱Fig.4The output spectra of multiwavelength lasers

为了考察多波长激光输出的稳定性，对激光输出光谱进行了间隔为4min的重复扫描测量，连续扫描10次，总扫描时间为40min。图5中给出了波长范围为1529.6 nm～1534.2 nm的重复扫描光谱。如图5所示，在扫描时间内，基于宽带PD-MSM滤波器的多波长掺铒光纤激光器的输出激光最大波长整体漂移量小于光谱仪最小分辨率0.05 nm，最大功率波动小于0.8 dB。这说明该多波长激光器在室温条件下可以实现稳定的多波长激光同时输出。

图6中给出了不同泵浦功率下，该多波长光纤激光器的输出光谱。如图6所示，随着泵浦功率的增加，激光波长数也随之增加，多波长激光梳状光谱的平坦性也越好。在室温下能够实现稳定多波长激光输出的机理，可以包括两方面：一方面是7 km长的DSF上累积的非线性偏振旋转效应（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）产生强度相关的偏振态旋转状态，由于PD-MSM滤波器具有宽带起偏作用，可转变成相应的强度相关损耗，当调整PC使得激光的腔内损耗随功率增加而增加时，则可以构成一个功率均衡机制［5，9-10］，从而保证在一定增益带宽内多波长的稳定同时激射；另一方面，由于采用的是DSF光纤，其零色散点波长位于1560 nm处，但在1530 nm附近的色散表现为较低的负色散，因而在SPM及XPM作用下，同样能够产生一定的FWM现象［11］。由于FWM现象能够将较高功率的激光功率转移到其他波长上，从而同样具有一定功率均衡作用。

图5　连续扫描10次，总扫描时间为40min的多波长激光输出光谱Fig.5Multiwavelength operation with 10 times repeated scanning spectra in 40 minutes

图6　不同泵浦功率下的多波长光纤激光输出光谱Fig.6Multiwavelength laser spectra with different pump power

3　结论

本文提出了一种基于PD-MSM-Lyot滤波器的多波长掺铒光纤激光器，利用宽带PD-MSM滤波器的起偏性能和保偏光纤构成了一个具有均匀滤波带宽的Lyot滤波器结构，同时利用腔内的NPR 和FWM效应，实现了室温下19个波长的同时稳定激射。基于该原理可通过级联多段保偏光纤实现多种波长间隔的可切换输出。40min内输出激光最大波长整体漂移量小于0.05 nm，最大功率波动小于0.8 dB。

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［5］Wang W，Meng H，Wu X，et al.Three channel-spacing switchable multiwavelength fiber laser with two segments of polarization-maintaining fiber［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2012，24（6）：470-472.

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［11］Agrawal G P.Nonlinear fiber optics［M］.Nonlinear Science at the Dawn of the 21st Century，Springer Berlin Heidelberg，2000.

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

延凤平，男，教授，博士，研究方向为光纤通信、光纤传感及光纤器件。

2014-12-09

国家973项目（编号：2010CB328206）；国家自然科学基金（编号：61275091，61327006）