一種新的基于光纖的動態可調諧Lyot濾波器

諸如光纖布拉格光柵和Lyot濾波器之類的可調諧光學梳狀濾波器已經被部署來實現多波長激光運轉，用于波分復用光學通信和各種其他應用。與光纖布拉格光柵相比，Lyot濾波器具有寬的連續波長相關傳輸光譜特性的優點，光纖布拉格光柵具有有限的帶寬和相對較大的群延遲波動。然而，在大多數先前實現的梳狀濾波器中，濾波器傳輸頻譜的信道間隔是固定的且是不可調整的。

**Lyot濾波器是由Bernard Lyot于1933年發明的一種具有寬帶工作特性的梳狀濾波器。**它已被用于各種應用，如光譜成像、光學通信和激光系統?；诠饫w的Lyot濾波器通常通過在兩個偏振器之間放置一段雙折射光纖（例如一段保偏光纖）來構造。濾波器的波長間隔可以通過改變保偏光纖的長度來調諧。通過旋轉兩段保偏光纖，實現了有效光纖長度的離散逐步調諧。然而，這不是用于濾波器波長間隔的動態和連續調諧的實用技術。環路型偏振控制器中由光纖的扭曲和擠壓引起的少量但顯著的雙折射足以影響Lyot濾波器的光譜特性。此外，在偏振調諧運轉期間，應力誘導的雙折射也將受到偏振控制器的旋轉的影響。安裝在環形偏振控制器內的光纖將充當具有可調諧雙折射的光學元件，從而可以調諧Lyot濾波器的總雙折射。因此，通過利用偏振控制器產生的雙折射，可以獲得非常簡單的連續可調諧光纖梳狀濾波器。

最近，人們對雙波長鎖模光纖激光器越來越感興趣，該激光器能夠從單個激光腔產生兩個不同波長的脈沖，用于雙梳光譜和太赫茲波產生等應用。為了在光纖激光器中實現雙波長鎖模，可以在激光腔中插入可編程衰減器來控制摻鉺光纖的光譜增益分布，以平衡兩個激光波長之間的增益競爭。然而，僅通過改變腔損耗來穩定地控制摻鉺光纖的嚴格增益條件是非常困難的。實際應用需要具有更好靈活性和穩定性的新方法。另一方面，鎖模激光器中的波長可調諧性也是光譜學、光學通信、光纖傳感器和生物醫學研究等應用所需的重要特征。各種器件已被用于調諧鎖模激光器的波長，例如基于薄膜的光學帶通濾波器和光纖布拉格光柵。然而，這些器件具有有限的波長調諧范圍和相對高的插入損耗。

01

實驗裝置

根據理論，Lyot濾波器的自由光譜范圍與雙折射率和保偏光纖長度的乘積成反比。為了實現鎖模運轉，需要比鎖模輸出頻譜寬度更寬的自由頻譜范圍。在這里，研究人員設計了一種自由光譜范圍為30 nm的動態可調諧Lyot濾波器，使用23cm長的保偏光纖。該濾波器的原理圖結構，如圖1所示。如上所述，內部具有彎曲和扭曲光纖的偏振控制器足以影響Lyot濾波器的傳輸。所設計的Lyot濾波器的計算透射光譜特性，如圖2a所示，隨總雙折射率的變化而變化，圖2b所示。在圖2a中，不同的顏色表示不同的總雙折射，而偏振角保持不變。應力引起的雙折射的變化估計約為10 ^-7^ ，比23厘米長的保偏光纖的雙折射小一千倍。盡管雙折射的這種變化只能略微改變自由光譜范圍，但由于1550 nm的頻率接近192 THz，1550 nm附近的傳輸將經歷許多周期。因此，這個小的變化肯定會影響Lyot濾波器的中心峰值。根據應力誘導的雙折射，總雙折射的變化約為保偏光纖的1/1000。從模擬結果來看，光譜透射峰的位置可通過總腔雙折射的微小變化來調節，這與理論分析一致。因此，這種具有寬自由光譜范圍的光譜透射特性適合于鎖模運轉的波長調諧。在圖2b中，不同的顏色指的是偏振控制器的不同偏振角，而總雙折射保持不變。通過改變偏振控制器的偏振角，可調整光譜傳輸幅度，這與理論一致。這種效應可以用來平衡摻鉺光纖增益譜中的兩個突出增益峰值。因此，可利用該濾波器效應來實現雙波長鎖模運轉。如上所述，通過旋轉偏振控制器，偏振角和總雙折射都將改變。因此，使用這種動態可調Lyot濾波器，傳輸剖面應該是圖2a和圖2b的組合?；谏鲜龇治?，可以通過簡單地調整偏振控制器來調諧透射光譜的峰值位置和振幅。

圖1 ** 動態可調諧Lyot濾波器結構示意圖。**

圖2 不同顏色的Lyot濾波器的透射光譜對應于：(a) 總雙折射（模擬），(b) 偏振角（模擬）和(d) 偏振控制器的狀態（實驗），(c) 可調諧Lyot濾波器透射的測試系統。

研究人員進行了一項實驗，如圖2(c)所示，以測試所設計的Lyot濾波器的光譜傳輸特性：使用商用保偏摻鉺光纖放大器（EDFA）（Amonics AEDFA-PM-23-B-FA）的放大自發輻射（ASE）作為測試源并使用50/50光耦合器將源分為兩條路徑：直接使用光譜分析儀作為參考水平進行測量，而另一條路徑在使用光譜分析儀進行測量之前通過可調諧Lyot濾波器啟動?？烧{諧Lyot濾波器的測量光譜透射，如圖2(d)所示，其中不同顏色的曲線圖表示偏振控制器的不同狀態。軌跡顯示了偏振控制器在不同旋轉狀態下不同的光譜峰值位置和振幅，這與上述模擬結果非常吻合。

**激光實驗裝置的示意圖，如圖3所示。**使用5米長的摻鉺光纖作為增益介質，在1550 nm處正常色散為50 ps ^2^ /km。摻鉺光纖使用980 nm泵浦激光二極管，通過前向泵浦方案中的980/1550波分復用耦合器進行泵浦。使用光學隔離器確保單向運轉并使用碳納米管（CNT）可飽和吸收體對激光器進行鎖模，該吸收體由噴涂碳納米管的光纖連接器夾在中間，插入損耗為1.2 dB?？烧{諧Lyot濾波器插入激光腔中，用作波長選擇元件。20/80光耦合器的20%輸出用作輸出端口。在波分復用和用于色散管理的光耦合器之間插入額外的13米長的標準單模光纖，其在1550 nm處的反常色散為-17 ps ^2^ /km。所有無源光纖組件的尾纖均由標準單模光纖制成，總腔長約為30 m。使用光譜分析儀（橫河6375）、4 GHz示波器（KEYSIGHT DSO-S 404A）、帶有5 GHz光電探測器（DET08CFC/M）和自相關儀（Femtochrome FR-103 XL） 分別具有尾纖輸入。

圖3 ** 具有碳納米管可飽和吸收體和可調諧Lyot濾波器的鎖模環腔激光器示意圖。** （WDM：波分復用器；EDF：摻鉺光纖；PI-ISO：偏振不敏感隔離器；PMF：保偏光纖；PC：偏振控制器；OC：光耦合器；SMF：單模光纖）。

02

雙波長鎖模光纖激光器

摻鉺光纖的增益譜在1532 nm和1555 nm處具有兩個顯著的增益峰，其增益水平取決于泵浦和增益飽和條件。然而，由于兩個增益峰之間的模式競爭，通常，當激光腔的泵浦和增益飽和條件沒有仔細匹配時，只能獲得單波長鎖模脈沖。在激光器中，可以通過簡單地調整偏振控制器來調整透射光譜發布以允許雙波長鎖模運轉，從而容易地抑制模式競爭。雙波長鎖模運轉的閾值功率為17.2 mW。激光器的輸出中心波長分別為1535 nm和1564 nm，如圖4(a)所示。當泵浦功率大于40.1 mW時，激光器在1564 nm處變為多脈沖工作，在40.1 mW泵浦功率下，總輸出功率為489.6 μW。工作在雙波長鎖模狀態下的脈沖串的時間波形，如圖4(b)所示。測量到的150 ns的脈沖周期與30 m的總腔長一致。頻譜，如圖4(c)所示，重復率為6.38 MHz。通過測量分辨率帶寬較小的10 Hz頻域中的脈沖，可觀察到這些雙色脈沖的不同重復率。重復率的差異被測量為340 Hz，這是由于腔中的群速度色散導致在兩個分離的激光波長處的不同往返群延遲。重復率差可以通過使用不同類型的光纖來調諧，以在激光腔中提供不同的平均群速度色散。根據圖4(d)中的頻譜測量，這兩個脈沖的信噪比分別為51 dB和53 dB。

**脈沖在1535 nm和1564 nm處的光譜和自相關跡可以通過使用帶寬和波長可調的平頂光學帶通濾波器（Alnair Labs BVF-200）在測量前過濾掉每個波長分量來分別測量。**如圖4(a)和圖5(a)所示，假設為高斯波形，1535 nm輸出脈沖分量的光譜半寬度為4 nm，推斷脈沖半最大全寬為853 fs。此外，如圖4(a)和圖5(b)所示，1564 nm脈沖分量的光譜半寬度和推斷的半最大全寬分別為3.6 nm和1000 fs。1535 nm和1564 nm脈沖的時間帶寬積分別為0.442和0.441，這接近假設高斯波形的變換限制值0.441。

圖4 （a）雙波長鎖模光纖激光器的輸出特性：（a）光譜（分辨率：0.05 nm），（b）時域示波器波形，（c）頻譜（分辨率帶寬：1 kHz）和（d）頻譜，分辨率帶寬：10 Hz。

圖5 （a）1535 nm脈沖和（b）1564 nm脈沖的自相關跡線。

03

波長可調鎖模光纖激光器

通過調諧偏振控制器，鎖模光纖激光器可以在單波長鎖模模式下工作，中心波長范圍為1532 nm至1562 nm，如圖6所示。由于激光腔中的群速度色散，不同波長的鎖模脈沖預計將在略微不同的孤子條件下工作，這可以從不同工作中心波長下不斷變化的光譜形狀和Kelly邊帶中注意到。此外，由于光譜透射峰值的幅度對于不同的偏振控制器狀態而變化，這導致當被調諧為在不同波長下運轉時脈沖的輸出強度的變化。它還顯示了覆蓋整個C波段增益譜的30 nm波長可調諧范圍。由于Lyot濾波器在光譜中具有連續的波長相關的傳輸帶，因此，相同的濾波器可以潛在地應用于使用增益介質的其他波長范圍，例如摻銩光纖和摻鐿光纖。

**為了進一步確認可調諧Lyot濾波器的功能，特意將保偏光纖和偏振器從腔中移除。**在這種情況下，只能產生1556 nm的單波長鎖模輸出。這確實表明，所提出的可調諧Lyot濾波器是實現雙波長鎖模機制和可調諧單波長鎖模的關鍵器件。此外，在24小時內測試了雙波長鎖模光纖激光器的穩定性，而不會降低激光器的輸出性能。

圖6 單波長鎖模狀態下的輸出光譜（中心波長從1532 nm調諧到1562 nm）。

總之，研究人員提出了一種新的光纖激光器設計，該設計使用基于光纖的可調諧Lyot濾波器進行雙波長鎖模和可調諧單波長鎖模運轉。Lyot濾波器通過簡單地調整偏振控制器來操作，以允許偏振狀態和總雙折射同時改變，這導致濾波器光譜透射峰值波長和振幅的可調諧性。首先，研究人員提出使用一段可調諧雙折射元件來調諧Lyot濾波器的傳輸。即使可調諧元件的變化比保偏光纖的雙折射小1000倍，也足以調諧Lyot濾波器的傳輸峰值?？梢韵嘈?，這種新的可調諧機制將為更簡單的動態Lyot濾波器開辟新的方向。這里，通過調節偏振控制器，實現了1535 nm和1564 nm的雙波長鎖模。此外，還可以獲得可調諧范圍為1532 nm至1562 nm的單波長鎖模激光器。與之前實現的其他基于Lyot濾波器的激光器不同，這種新型的基于光纖的Lyot濾波器在一個激光腔中提供了靈活的動態調諧優勢，而無需重建不同的激光腔?？梢韵嘈?，具有這種新型濾波器的激光器設計可以極大地簡化光纖激光器的雙波長和波長可調諧鎖模裝置且在雙梳光譜、太赫茲產生和光纖傳感等各種應用中非常有前景。