基于四波混频效应的多波长掺铒光纤激光器的研究
电子科技大学光电信息学院25051040班 刘晓林 指导教师 汪平河
摘要：多波长光纤激光器是未来波分复用通信系统的理想光源，本文提出和展示了一个基
于的四波混频效应的多波长光纤激光器，高非线性光纤中的四波混频效应能有效地抑制掺铒光纤均匀加宽产生的模式竞争和模式跳变，从而使光纤激光器在室温下产生稳定的多波长输出，实验观察到最多6个波长的激光输出。实验采用了峰值波长间隔可调的滤波器，选用了波长间隔为1纳米和4纳米两种间隔进行实验。实验还研究了在四波混频效应影响下调节偏振控制器（PC）对输出波长的影响，发现调节偏振控制器可以实现可开关的多波长激光输出。
关键词：多波长 掺铒光纤激光器 sagnac滤波器 高非线性光纤 四波混频
Multiwavelength Fiber Laser Based on Four-wave mixing
Liu Xiaolin
University of Electronic Science and Technology School of Optoelectronic
Information 25051040 Class Supervisor: Wang Pinghe
Abstract: In the future the multi-wavelength fiber laser will be the ideal light
source in wavelength division multiplexing communication system, and this presents the multi-wavelength fiber laser which based on the effect of a four-wave mixing, The four-wave mixing effect of high nonlinear optical can be effectively curb the uniform pattern of widening competition and mode hopping in erbium-doped fiber, so that fiber laser at room temperature have a stable multi-wavelength output, the experiment observats to a maximum of six laser output wavelength. Experiment use of peak wavelength spacing tunable filters, wavelength interval selected the 1 nm and 4 nm methods. Experiments examined the effect of the four-wave mixing under the influence of conditioning polarization controller (PC) on the impact of the output wavelength also ,and find that adjusting the polarization controller can switch to the multi-wavelength laser output.
Key words: multi-wavelength erbium-doped fiber laser sagnac filter
high nonlinear optical filter four-wave mixing
0引言
多波长光纤激光器是一类造价低、效率高的激光光源，在诸如波分复用光通信系统、光纤传感、光器件性能测试和材料的色散测试等方面具有很大的应用潜力，是近年来除锁模光纤激光器外的另一种引起人们极大关注的光纤激光器。将掺铒光纤浸泡在液氮中来抑制其均匀加宽机理可以实现多波长掺铒光纤激光器
【1～2】，但这种方法有很大局限性，即不能工作
【3~5】在室温下。至今已经有多种方法使得光纤激光器能在室温下产生稳定多波长频效应正是其中的一种
【6～7】。四波混
，四波混频效应稳定多波长的基本工作原理为:不同波长之间的
四波混频作用可以使各个波长之间的能量相互传递，功率重新分配，从而某时刻低功率激光可以通过很快的四波混频过程得以补充，高功率激光会通过四波混频过程很快地减小，通过这种很快的动态平衡过程，可以有效抑制由掺饵光纤均匀展宽所引起的模式竞争和模式跳变，从而实现稳定的多波长掺饵光纤激光输出。该力一法的关键是要产生显著的四波混频效应，因此不仅对腔内引入的非线性光纤具有特殊的要求，而日_要保证腔内具有较高的光功率水平。
另一方面，为了实现多波长输出通常需要在激光腔内插入周期性的多波长滤波器，比如波长固定的法布里-珀罗（Fabry-Perot）滤波器、波长可调谐的啁啾光纤光栅或取样光栅和双折射光纤环形镜等。实验中采用了一种相对简单的滤波器，即sagnac滤波器,只由一个偏振控制器（PC）、一个耦合器和一段保偏光纤(PMF)即可组成，而且它的波长间隔可以通过选择合适的保偏光纤长度来改变,它的波长可以通过调节偏振控制器来精密调谐
【8～9】。
本文采用波长间隔为1nm和4nm的两个sagnac环滤波器研究四波混频效应对多波长光纤激光器的影响，结果观察到其对可开关的稳定多波长激射有较好的作用。
1实验装置
实验装置如图1所示：左边是一个由掺铒光纤放大器（EDFA）和环行器构成的环形腔，EDFA是昂纳信息技术有限公司生产，产品型号：Ala-13-2-1-3，其输出功率13.7dBm,小信号增益30.02dB，工作波长1530～1565nm。中间是一段110米的高非线性光纤，由长飞公司（YANGTIE OPTICAL Fiber And Cable）,产品型号：NL-1550-ZERO,波长：1525-1575nm，色散值：?1ps/(nm?km)。右边是一个sagnac滤波器和光谱分析仪（OSA），sagnac环由50：50的耦合器、偏振控制器（PC）和一段保偏光纤组成。保偏光纤为熊猫型保偏光纤，偏振控制器(PC)在保偏光纤的一端用以调节偏振态，还有一个耦合器，两个端口都是50%，分别用于输入输出信号和环内信号。
中间插入的高非线性光纤主要是引入非线性效应，四波混频就是一种较大的非线性效应。由保偏光纤（PMF）偏振控制器（PC）和耦合器组成的sagnac环实际上是一个线性的周期性光纤滤波器，波长间隔由公式??=?/(?nL)决定。其中?n和L分别是保偏光纤的双折射和长度。所以我们选择不同长度的保偏光纤做sagnac环就能得到不同波长间隔的滤波器，实验中我们选用了1nm和4nm两种波长间隔。
高非线性光纤 环行器 PC 2保偏光纤 Sagnac环 EDFOSA
图1、基于四波混频效应的多波长光纤激光器实验装置图
2结果与讨论
2.1
选用波长间隔为4nm的sagnac环滤波器进行实验。当没有高非线性光纤时观察到的激光输出波长及不稳定，波长数目多变，峰值幅度不定。在加入110m高非线性光纤时：调节偏正控制器，能够得到一个波长输出的稳定激射，如图2～图4，它们都只有一个波峰中心波长依次在1556.90nm、1559.67nm和1532.47nm处可见调节偏振态时可以得到频带上多个位置上稳定的单波长稳定激射从而实现可开关的激光输出；同时调节偏正控制器也可以得到两个波长输出的稳定激射，如图5～图8，它们中两个波长的位置均不同，图5中?1=1531.79nm，?2=1556.88nm，图6中?1=1555.95nm，?2=1559.95nm，图7中 ?1=1531.29nm，?2=1534.52nm，图8中?1=1534.14nm，?2=1556.24nm，，实验还观测到了
?2=1534.33nm，?3=1555.95nm，3～4个波长的稳定激射如图9、图10，图9中?1=1531.10nm，
图10中?1=1531.10nm，?2=1534.33nm，?3=1551.33nm, ?4=1555.95nm。而且多个波长的位置也是可以通过调节偏振控制器的位置来改变的，这里我们就不一一列举了，总之输出波长在1530nm和1560nm附近可以稳定输出多个波长且位置和波长数目可调。
以上数据表明在调节偏振控制器的时候我们可以得到一到四个波长的稳定激射，从而证明四波混频效应能够实现多波长激光器的稳定输出；同时调整偏振控制器时发现输出波长的位置可以通过改变偏振控制器来实现说明我们的实验装置能够起到可开关的作用。
图2带宽4nm，仅有一个波峰， 图3 带宽4nm，仅有一个波峰，
峰值中心波长1556.90nm处。 峰值中心波长1559.67nm处。
图4带宽4nm，仅有一个波峰， 图5 带宽4nm，有两个波峰，
峰值中心波长1532.47nm处。 峰值中心波长?1=1531.79nm，?2=1556.88nm
图6 带宽4nm，有两个波峰， 图7带宽4nm，有两个波峰，
?2=1559.95nm 峰值中心波长?1=1531.29nm，?2=1534.52nm 峰值中心波长?1=1555.95nm，
图8带宽4nm，有两个波峰， 图9 带宽4nm，有三个波峰，
峰值中心波长?1=1534.14nm， 峰值中心波长?1=1531.10nm， ?2=1556.24nm ?2=1534.33nm，?3=1555.95nm
图10 带宽4nm，有四个波峰，
峰值中心波长?1=1531.10nm，?2=1534.33nm，
?3=1551.33nm, ?4=1555.95nm
2.2
选用波长间隔为1nm的sagnac环滤波器进行实验。当没有高非线性光纤时观察到的激光输出波长及不稳定，波长数目多变，峰值幅度不定。在加入110m高非线性光纤时：调节偏正控制器，能够得到1～6个波长输出的稳定激射，如图11～图17。图11中有一个波长输出?=1558.61nm；图12中有两个波长输出?1=1558.27nm，?2=1559.19nm；图13中有三个波长输出?1=15556.62nm，?2=1557.48nm, ?3=1558.34nm；图14中也有三个波长输出?1=15531.62nm，?2=1532.52nm, ?3=1533.43nm；图15中有四个波长输出?1=1554.95nm，?2=1555.89nm，?3=1556.84nm, ?4=1557.79nm；图16中有五个波长输出?1=1554.20nm，?2=1555.14nm，?3=1556.08nm, ?4=1557.02nm， ?5=1557.97nm；图17中有六个波长输 出?1=1531.51nm，?2=1532.49nm，?3=1533.44nm, ?4=1554.70m， ?5=1555.64nm, ?6=1556.59。实验结果与4nm的sagnac环滤波器是类似，但是此时由于波长间隔较短，输出波长数目明显增加，在调节偏振控制器时变化较大没有能够一一测量多波长在不同输出位置的实验现象，但依然可以看出输出波长的位置集中在1530nm和1560nm附近，而且能够稳定输出多波长，改变偏振态时多波长的数目和位置也能改变。
因此四波混频效应能够实现不同波长间隔滤波器条件下的多波长稳定输出，而且实现了输出波长的可开关性。
图11带宽1nm,有一个波峰， 图12带宽1nm,有两个波峰，
峰值中心波长在1558.61nm处 峰值中心波长?1=1558.27nm，?2=1559.19nm，
图13带宽1nm,有三个波峰， 图14带宽1nm,有三个波峰， 峰值中心波长?1=15556.62nm， 峰值中心波长?1=15531.62nm， ?2=1557.48nm, ?3=1558.34nm. ?2=1532.52nm, ?3=1533.43nm.
图15带宽4nm，有四个波峰，峰值中心 图26 带宽4nm，有五个波峰，峰值中心 波长?1=1554.95nm，?2=1555.89nm， 波长?1=1554.20nm，?2=1555.14nm， ?3=1556.84nm, ?4=1557.79nm ?3=1556.08nm, ?4=1557.02nm， ?5=1557.97nm
图17带宽4nm，有六个波峰，峰值中心波长?1=1531.51nm，?2=1532.49nm，
?3=1533.44nm, ?4=1554.70m， ?5=1555.64nm, ?6=1556.59
3结论
提出和展示了一个基于四波混频效应的多波长掺铒光纤激光器，实验及表明到四波混频效应在常温下能够有效地抑制均匀加宽介质掺铒光纤中模式竞争和模式跳变，能够实现不同波长间隔下的稳定多波长激射，同时实现了输出波长的可开关。这种室温下可开关的稳定多波长光纤激光器结构简单，对多波长激光器的商品化及密集波分复用（DWDM）有重要的意义和广阔的研发前景。
4参考文献
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