基于双通道萨格纳克环的可切换、宽波长区间可调的多波长EDFL（光纤放大器）

《Optical Fiber Technology》：Switchable and broadly wavelength-interval-tunable multi-wavelength EDFL based on dual-channel Sagnac loop

双通道萨格拉克环结构实现可切换多波长EDFL，通过偏振控制器调节输出波长间隔最大达26.40 nm，覆盖1518.72-1560.08 nm波段，实验验证单波长OSNR≥52.091 dB，支持1-8波长动态重构，适用于光纤通信与光学传感。

　　

作者：赵光辉 | 张伟华 | 汤正荣 | 王雪 | 王浩

中国天津市300384，天津工业大学集成电路科学与工程学院，教育部光电设备及通信技术工程研究中心，薄膜电子与通信器件天津市重点实验室

摘要

本文介绍了一种基于双通道萨格纳克环的可切换、宽波长区间可调的多波长掺铒光纤激光器（EDFL），并对其进行了实验研究。其基本工作原理依赖于萨格纳克配置中的双折射引起的偏振态演化以及反向传播光之间的干涉，从而实现了稳定多波长激光的产生，并且可以调节波长间的间隔。通过偏振控制器（PC）的调整，该激光器能够输出多达8个同时存在的波长。在单波长模式下，激光器的输出波长可在1553.64 nm至1558.84 nm之间调节，最小光信噪比（OSNR）为52.091 dB。该系统在多波长范围内表现出显著的波长间隔可调性：双波长输出的最大间隔为25.80 nm，三波长为26.40 nm，四波长为18.20 nm，五波长为22.12 nm，六波长为11.92 nm，七波长为10.52 nm。其完整的操作光谱覆盖范围从1518.72 nm延伸到1560.08 nm。这种EDFL设计具有宽光谱可调性和多通道可重构性，为下一代光纤通信和先进的光学传感应用提供了一个创新的动态可重构光源平台。

引言

近年来，可切换和可调激光器因其广泛应用于激光雷达、无线电系统、密集波分复用光纤通信系统等领域而受到了国内外学者的广泛关注[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。由于具有高增益和低噪声特性，掺铒光纤放大器（EDFA）已成为光纤通信系统的核心组件，并被证明能够有效克服光纤中的信号衰减和噪声问题[[8], [9], [10], [11]]。在下一代光通信系统中，面对不断增长的带宽需求和超高速传输的挑战，光纤激光器的多波长输出能力发挥着关键作用，尤其是在长距离传输和密集波分复用（DWDM）架构中[12]。此外，兼具超高稳定性和超窄线宽特性的光纤激光器已成为实现高精度光信号处理不可或缺的技术基础[[13], [14], [15]]。萨格纳克环滤波器因其独特的相位调制特性而成为优选的波长选择组件，这些特性包括结构简单、热管理高效、体积小巧以及高光效率[[16], [17], [18], [19], [20]]。它们的简单性、成本效益、电磁抗干扰能力以及与光通信系统的无缝集成能力使得这类激光器非常受欢迎[21]。然而，传统的单通道萨格纳克环滤波器虽然适用于波长选择，但在实现多波长操作和灵活的光谱调节方面存在局限性[22]。相比之下，通过利用保偏光纤（PMF）的双折射来驱动光偏振态的演化，并利用萨格纳克配置中的反向传播光之间的干涉，可以设计出高度可重构的动态光谱滤波方案[23]。 2020年，赵等人展示了一种基于级联滤波器的可调且区间可调的多波长EDFA，借助非线性偏振旋转（NPR）技术，实现了从单波长到七波长的切换输出，调谐范围超过18 nm，信号噪声比（SMSR）达到47 dB[24]。2022年，黄等人开发了一种高SMSR和宽波长可调的多波长EDFA，该设备集成了萨格纳克环滤波器和弯曲敏感的双芯光子晶体光纤。通过偏振控制器和弯曲阶段的调整，该激光器可以实现单波长、双波长和三波长的切换输出，单波长模式的调谐范围为23 nm，信号噪声比为57 dB；而在双波长模式下，19 nm范围内的抑制效果超过40 dB[25]。2023年，周等人展示了一种基于嵌入在Lyot滤波器中的类萨格纳克环的C波段宽波长可调且可切换的EDFA。通过PC诱导的非线性偏振旋转，该激光器实现了全C波段的切换输出，所有输出波长的光信噪比均超过43 dB，且波长间隔可调[26]。 本文提出了一种基于双通道萨格纳克环的可切换、宽波长区间可调的多波长EDFL。该滤波器设计使用耦合器将光信号分成两个传播路径，使光在两个分支中传播并相干重组，从而实现波长选择性的传输。实验验证表明，双通道萨格纳克滤波器在室温下的性能稳定，通过PC调整可以产生8种不同的波长输出状态。激光器在单波长模式下可产生四个可切换的发射峰，同时在双波长到七波长的范围内实现多波长输出。

滤波器原理

滤波器的原理

双通道萨格纳克环滤波器的示意图如图1所示。光在双通道萨格纳克环滤波器中的传输过程如下：入射光从OC1的端口1进入后，被分成两束。一束光顺时针方向传播，经过端口3后再次被OC2分成两束。上路径的光通过PC2和PMF2，而下路径的光通过PC1和PMF1。由于偏振保持光纤（PMF）的特性，两束光在传播过程中保持偏振状态不变。

实验装置

设计了一种基于双通道萨格纳克环的可切换、宽波长区间可调的多波长EDFL。实验装置如图2所示。980 nm的泵浦光通过980/1550 nm波分复用器注入激光腔。泵浦光在20米长的EDFA中传播，为循环信号提供光增益放大。EDFA后的隔离器（ISO）确保光在腔内单向传播。放大的信号随后...

结论

本文提出了一种基于双通道萨格纳克环的可切换、宽波长区间可调的多波长EDFL，并对其性能进行了分析。双通道萨格纳克环结构具备高效的多波长输出能力、灵活的波长间隔调节特性以及简单的结构设计。其工作原理主要依赖于双折射引起的偏振态演化以及反向传播光之间的干涉...

作者贡献声明

赵光辉：撰写初稿、可视化处理、软件开发、项目管理、数据整理、概念构思。 张伟华：撰写与编辑、实验研究、数据分析、概念构思。 汤正荣：撰写与编辑、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。 王雪：项目监督、资金申请、数据分析。 王浩：项目监督、数据分析。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：王雪表示获得了中国自然科学基金会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国自然科学基金（项目编号：62003237）的支持。