L波段多波长光纤激光器

封面文章|刘奂奂, 蒋巧, 宋伟, 喻叶, 李子龙, 庞拂飞. L波段可切换双波长被动锁模光纤激光器[J]. 中国激光, 2019, 46(7): 0701007

随着大数据业务对传输带宽需求的不断增长,在现有的光纤传输系统上如何提高通信容量,已成为光通信领域的研究热点。

L波段(1565 nm~1625 nm)锁模光纤激光器可以将光通信系统中主要在C波段(1530 nm~1565 nm)应用的波分复用(WDM)技术延伸到L波段,进一步提高通信容量,现已逐渐成为研究热点。同时,多波长锁模光纤激光器可以同时产生不同中心波长的超短脉冲,相比于使用多个不同发射波长的激光器,其成本更低。

目前光纤激光器实现多波长锁模的方式主要是采用特殊的光学器件,然而这些辅助器件会不可避免地增加激光器系统的复杂性,且易受环境变化的影响。

为此,上海大学刘奂奂副研究员课题组基于对增益光纤增益谱的研究,仅通过改变激光器的抽运功率实现了光纤激光器在L波段可切换双波长锁模。选用的激光器实验装置为全光纤环形结构,如图1所示。由于随着增益光纤长度的增加,产生带内吸收变得更强,粒子数反转减弱,从而激光器发射波长红移,可以通过调控增益光纤的长度实现锁模光纤激光器在L波段的输出。


图1 基于碳纳米管饱和吸收体的L波段可切换双波长被动锁模光纤激光器的实验装置示意图

激光器开始为连续光输出,随着抽运功率缓慢增加,激光器自启动锁模,实现了中心波长为1596.6 nm的单波长锁模。当继续增加抽运功率时,激光器输出光谱的中心波长从1596.6 nm切换到1572.9 nm。激光器除了可以实现在L波段单波长可切换锁模外,当抽运功率被设置在上述两个锁模状态的抽运阈值之间时,可以观察到双波长锁模,如图2所示。


图2双波长锁模光纤激光器输出。(a)(b)经过滤波器前的输出;(c)(d)经过滤波器后的输出,(c)插图为脉冲的自相关信号

为了进一步研究增益光纤对激光器形成L波段可切换双波长锁模的作用机理,该团队基于非线性薛定谔方程对锁模光纤激光器进行了数值模拟。因为EDF的增益系数遵循洛伦兹函数分布,所以仿真中用中心波长分别是1572 nm和1597 nm的两个洛伦兹函数叠加形成的双峰状轮廓的滤波器来对增益谱建模,如图3所示。随着增益谱的变化,激光器会输出不同波长脉冲。这表明激光器可切换双波长锁模的实现归因于增益谱洛伦兹传输的变化。


图3激光器的数值模拟结果。(a) (b)分别为单波长锁模光谱在1592 nm波段和(b)1572 nm波段演变的模拟结果;(c)双波长锁模光谱的模拟结果(图中的三个插图为不同的洛伦兹透射率(L-T)的光谱)

结果表明,激光器可切换双波长锁模的实现归因于增益谱洛伦兹传输的变化,而增益谱的变化与抽运功率相关,这对L波段可切换双波长光纤锁模激光器的研究具有重要参考价值。