基于COMSOL平台，设计一种沟槽辅助下双层阶跃折射率结构的四模掺铒光纤。通过对铒离子能级结构、稳态方程和速率方程的理论研究，利用Matlab软件搭建少模光纤放大器系统。利用模拟退火算法实现三层掺杂区域下的铒离子浓度的优化，以确保所设计的四模掺铒光纤放大器的增益特性。仿真结果表明：在纤芯泵浦方式下利用波长为1480 nm的泵浦光对1550 nm的四模式信号进行放大，得到的各模式信号平均增益为26.07 dB，模间增益差（DMG）为0.106 dB；对所设计光纤进行折射率容差分析，得到的平均增益为26.08 dB，DMG为0.34 dB。结果证明了所设计的少模光纤放大器的稳定特性，其具有广泛的发展前景和应用潜力。
空分复用 少模光纤放大器 模拟退火算法 增益均衡 光学学报
2023, 43(22): 2206007
1 北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044
2 河北大学物理科学与技术学院 光信息技术创新中心，河北 保定 071002
3 大阪工业大学 电子信息系统工程学专业，日本大阪 999001
4 山西医科大学第五临床医学院 妇产科，山西 太原 030012
提出并实现了一种基于均匀光纤布拉格光栅（Uniform fiber Bragg grating，UFBG）和双环复合子腔滤波器的可调谐单纵模掺铥光纤激光器。3 dB带宽为0.18 nm的UFBG作为波长选择器件，与可进行模式选择的双环复合子腔滤波器相结合，实现了单纵模激光输出。测得激光器的输出波长为2 048.69 nm，光信噪比为71.82 dB。60 min内的最大波长和功率波动分别为0.03 nm和0.76 dB。此外，激光器的相对强度噪声在>0.5 MHz时，低于-127.81 dB/Hz；采用基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪装置测得0.001 s时激光线宽为 7.719 6 kHz。通过调整微位移平台改变作用在均匀光栅上的应力，单纵模激光实现了5.1 nm范围可调谐输出。
光纤激光器 掺铥光纤 单纵模 双环复合子腔滤波器 fiber laser thulium-doped fiber single-longitudinal-mode double-ring compound sub-cavity filter
1 北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044
2 光信息技术创新中心，河北大学物理科学与技术学院，河北 保定 071002
提出并实现了一种工作在2050 nm波段的单纵模窄线宽掺铥光纤激光器。使用3个耦合器组成的新型复合双环腔抑制密集的多纵模，结合未泵浦的掺铥光纤（作为饱和吸收体），实现了激光的单纵模激射和窄线宽输出。实验结果表明：室温下，激光器的中心波长为2048.76 nm，光信噪比为68 dB。通过60 min的连续测量，得到激光的输出功率波动不大于0.15 dB，中心波长漂移不大于0.02 nm，证明了所设计的激光器具有良好的波长稳定性和功率稳定性。使用基于3×3光纤耦合器的相位解调系统对激光器的频率噪声特性进行测量，并进一步结合β分割线法测量线宽。当测量时间为0.001 s时，激光器的线宽为9.17 kHz。当频率高于1 MHz时，相对强度噪声低于-125.69 dB/Hz。该激光器在激光雷达和空间光通信系统中具有广阔的应用前景。
激光器 掺铥光纤激光器 单纵模 子环腔 饱和吸收体 中国激光
2023, 50(23): 2301002
1 北京交通大学 电子信息工程学院，北京00044
2 河北大学 物理科学与技术学院 光信息技术创新中心，河北保定07100
提出了一种基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪和相位信号解调的激光器线宽测量系统，基于相位信号解调的微分交叉相乘算法，可对所采信号进行高速实时处理，快速给出待测激光器的频率噪声信息和线宽值。该系统光路结构简单，无须主动控制，测量结果重复性高。考虑采样信号是否同时包含源信号的最大值和最小值这一重要问题，在仿真和实验两种情况下着重讨论了对源信号进行采样窗口为0.5，0.4，0.1，0.05和0.01 s的采样对所测试激光器频率噪声功率谱密度的影响。仿真和实验均表明，使用采样窗口为0.1，0.05和0.01 s未同时包含源信号的最大值和最小值的采样信号计算获得的激光频率噪声功率谱密度幅值偏高。进一步使用β-分割线法对1.5 μm波段商用激光器和实验室自制的2 μm波段激光器进行线宽测量验证，结果表明，使用同时包含源信号最大值和最小值的采样信号处理得到1.5 μm波段商用激光器的线宽值在测量时间为2 ms时为5 kHz，同时本结论可拓展至全波段适用。
单频窄线宽激光器 线宽测量 频率噪声 相位信号解调 single-frequency narrow linewidth laser line width measurement frequency noise phase signal demodulation
1 河北大学物理科学与技术学院光信息技术创新中心，河北 保定 071002
2 河北省光学感知技术创新中心，河北 保定 071002
3 北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044
设计并演示了一种2 μm波段高信噪比混合复合谐振腔型单纵模（SLM）掺铥光纤激光器（TDFL）。混合复合谐振腔由基于3个均匀光纤布拉格光栅（FBG）和2个光纤耦合器（OC）的非对称线形复合四腔和基于另外2个OC的双OC环形腔组成。基于游标原理，非对称线形复合四腔可以实现激光SLM选择。双OC环形腔作为窄带滤波器，进一步确保激光器长时间SLM稳定运行。采用放大的1567 nm激光泵浦掺铥光纤，当泵浦功率为2.80 W时，激光输出中心波长为2049.160 nm，输出功率为15.47 mW，光信噪比高达75.65 dB，200 min测量时间内波长和功率波动分别小于0.005 nm和0.85 dB，10 min测量时间内激光可以保持稳定的SLM运行，激光器的阈值泵浦功率和斜率效率分别为1.75 W和1.43 %。提出的TDFL在自由空间光通信、激光雷达、光学传感等领域具有潜在的应用价值。
激光器与激光光学 2 μm波段光纤激光器 混合复合谐振腔 单纵模 光纤滤波器 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0514006
北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京 100044
研究了一种由十字形石墨烯图案和4L形石墨烯图案构成且对偏振及角度不敏感的类电磁诱导透明超材料结构,而图案的对称性会导致该超材料结构在太赫兹波段表现出优异的偏振不敏感特性。结果表明,在横电(TE)偏振和横磁(TM)偏振的条件下,当太赫兹波的入射角度在0°~60°之间变化时,透射峰的强度均可保持在0.75以上,表现出良好的入射角不敏感特性。通过对拆分结构的透射谱、谐振频率处电场强度及表面电流分布进行分析,研究类电磁诱导透明效应产生的物理机制,进一步分析谐振单元的长度对类电磁诱导透明窗口的影响。结果表明,该超材料结构在太赫兹波段具有明显的慢光效应和较高的折射率灵敏度。通过改变石墨烯的费米能级可以同时对透明窗口、群延时及折射率灵敏度进行调控,该性质在光缓存器件和传感器领域有重要的应用价值。
材料 超材料 类电磁诱导透明 太赫兹 石墨烯 偏振及角度不敏感 中国激光
2021, 48(23): 2314002
北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京100044
对2 μm波段的法布里-珀罗光纤光栅进行了仿真分析和实验制作;设计并搭建了一种基于多通道法布里-珀罗光纤光栅滤波器的三波长间可切换的单纵模复合腔掺铥光纤激光器。激光谐振腔内使用由两个光耦合器组成的8字环无源子腔来扩大纵模间隔;使用自制法布里-珀罗光纤光栅滤波器进行波长选择,并利用偏振控制器调节腔内损耗以抑制光纤激光的强模式竞争;通过应力调节架调节均匀光纤光栅,实现了三个波长间切换的单纵模激光运转。实验结果表明:在室温时,该掺铥光纤激光器可获得输出波长分别为1941.48 nm、1941.57 nm和1941.65 nm,对应光信噪比分别为61 dB、61 dB和60 dB的稳定的可切换单纵模激光输出。分别对三个波长的激光进行连续50 min的稳定性测量,得到激光输出功率的波动分别小于0.39 dB、0.61 dB和0.55 dB,波长波动小于光谱仪的最小分辨率0.05 nm,说明该激光器具有良好的稳定性。
激光光学 掺铥光纤激光器 单纵模 复合腔 光纤光栅 法布里-珀罗光纤光栅滤波器 中国激光
2021, 48(21): 2101001
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of All Optical Network and Advanced Telecommunication Network, Ministry of Education, Institute of Lightwave Technology, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
2 School of Information and Communication Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100101, China
An approach to generate high-speed and wideband frequency shift keying (FSK) signals based on carrier phase-shifted double sideband (CPS-DSB) modulation is proposed and experimentally validated. The core part of the scheme is a pair of cascaded polarization-sensitive LiNbO3 Mach–Zehnder modulators and phase modulators, whose polarization directions of the principal axes are mutually orthogonal to each other. A proof-of-concept experiment is carried out, where a 0.5 Gb/s FSK signal with the carrier frequencies of 4 and 8 GHz and a 1 Gb/s FSK signal with the carrier frequencies of 8 and 16 GHz are generated successfully.
microwave photonics frequency shift keying polarization-sensitive modulator microwave signals generation carrier phase-shifted double sideband modulation Chinese Optics Letters
2021, 19(10): 103901
北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室, 北京 100044
提出了一个新型水基宽带超材料吸波结构,利用水在微波波段优异的电磁特性,使该结构对于入射电磁波的吸收率在8.2~78.32 GHz频段内始终保持90%以上。当电磁波的入射角度变化时,吸波器仍然具有优异的吸收性能,尤其是在横磁模式下,即使入射角度达到70°时吸收率基本仍能全部保持在90%以上;由于设计的吸波器为完全的中心对称结构,因此极化角度对其吸收特性的影响十分微弱;调整温度在0~100 ℃范围内变化时,该吸波器在整个仿真频段内几乎始终保持90%以上的高吸收率。所提出的吸波结构不仅具有宽带高吸收率特性,且具有广角入射、极化无关以及热稳定的优异性能。该吸波结构可通过3D打印技术进行制备,大大降低了制作的复杂度和成本,对于新型宽带介质吸波器的应用和发展具有十分重要的作用。
材料 超材料 超宽带 吸波器 广角 热稳定 中国激光
2021, 48(16): 1613002
1 河北大学物理科学与技术学院 光信息技术创新中心, 河北 保定 071002
2 河北省光学感知技术创新中心, 河北 保定 071002
3 北京交通大学光波技术研究所, 北京 100044
傅里叶域锁模是一种可以同时获得快速频率或波长扫描和高质量激光输出的方法。以掺铒光纤激光器为例,首次系统性地论证了傅里叶域锁模扫频激光器的研究方法,主要内容包括激光谐振腔长与扫描滤波器速率匹配、腔内色散管理、扫描滤波器性能表征、激光增益介质特性分析、激光器系统设计等理论、原理及方法研究过程,以及激光极限锁模范围、单向扫描性能、不同延迟光纤和滤波器驱动频偏对激光输出功率影响、不同扫描方向激光瞬时线宽受滤波器驱动频偏影响等实验研究与讨论过程。同时,首次演示了以掺铒光纤为激光增益介质且波长扫描范围为3.072 nm、光信噪比为57.31 dB、扫描速率为62.918 kHz、瞬时线宽为4.28 GHz的高质量傅里叶域锁模扫频光纤激光输出,并讨论了其性能进一步提升方法。本文对于初步接触傅里叶域锁模扫频激光技术的研究人员具有重要的指导意义。
激光器 傅里叶域锁模 扫频激光器 掺铒光纤 扫描滤波器 中国激光
2021, 48(16): 1601003
