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掺铒光纤Sagnac环掺铒光纤放大器增益平坦特性

刘毅 郭荣荣 易小刚 郑永秋 陈鹏飞

刘毅, 郭荣荣, 易小刚, 郑永秋, 陈鹏飞. 掺铒光纤Sagnac环掺铒光纤放大器增益平坦特性[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0064
引用本文: 刘毅, 郭荣荣, 易小刚, 郑永秋, 陈鹏飞. 掺铒光纤Sagnac环掺铒光纤放大器增益平坦特性[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0064
LIU Yi, GUO Rong-rong, YI Xiao-gang, ZHENG Yong-qiu, CHEN Peng-fei. Erbium-doped fiber amplifier gain-flatness of a sagnac loop with an erbium-doped fiber[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0064
Citation: LIU Yi, GUO Rong-rong, YI Xiao-gang, ZHENG Yong-qiu, CHEN Peng-fei. Erbium-doped fiber amplifier gain-flatness of a sagnac loop with an erbium-doped fiber[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0064

掺铒光纤Sagnac环掺铒光纤放大器增益平坦特性

doi: 10.37188/CO.2020-0064
基金项目: 国家自然科学基金青年项目(No. 61705157,No. 61404140403,No. 61805167);国家自然科学基金面上项目(61975142,61475112);山西省回国留学人员科研资助项目(No. 2017-key-2);山西省重点研发计划项目(No. 201903D121124)
详细信息
    作者简介:

    刘 毅(1984—),男,山西长治人,博士,副教授,2007年、2010年于中北大学分别获得学士学位、硕士学位,2014年于天津大学获得博士学位,主要从事光纤激光器和光纤传感方面的研究。E-mail:liuyi@tyut.edu.cnliuyi@tyut.edu.cn

    郭荣荣(1991—),女,山西孝义人,硕士研究生,2015年于太原理工大学获得学士学位,主要从事光纤激光器和光纤传感方面的研究。E-mail:guorr212@163.com

  • 中图分类号: O433.4

Erbium-doped fiber amplifier gain-flatness of a sagnac loop with an erbium-doped fiber

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China for Distinguished Young Scholars (No. 61705157, No. 61404140403, No. 61805167); National Natural Science Foundation of China (No. 61975142, No. 61475112); Research Project Supported by Shanxi Scholarship Council of China (No. 2017-key-2); Key Research and Development (R&D) Projects of Shanxi Province (No. 201903D121124)
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  • 摘要: 在通信领域,特别是波分复用方面为了同时调整多通道增益和实现多波长光纤激光器大范围稳定的光波输出,本文提出了一种未泵浦掺铒光纤Sagnac环透射端掺铒光纤放大器增益平坦特性研究方案,其由Sagnac环自身谐振模式、未泵浦掺铒光纤的吸收特性和由环中双折射拍长引起的谐振模式3者共同作用。通过调节Sagnac环中的偏振控制器,使得掺铒光纤放大器(EDFA)增益光谱在非泵浦掺铒光纤Sagnac环透射端可以被部分或者全部平坦化。实验结果表明:在透射端14 nm的波长范围内,部分增益光谱的平坦度为±0.145 dB;整个C波段光谱36.5 nm的波长范围内,增益光谱的完全平坦度为±1.225 dB。该增益谱平坦方案结构简单,输出光谱平坦度好,有望用于波分复用系统和多波长激光器中。
  • 图  1  EDFA增益平坦实验装置图及示意图

    Figure  1.  Experiment a setup and schematic diagram of the gain-flattened EDFA

    图  2  EDFA增益谱平坦原理图

    Figure  2.  Schematic diagram of the gain-flattened for EDFA

    图  3  不同泵浦功率下的EDF吸收曲线和ASE增益谱

    Figure  3.  Absorption of the EDF at different pump powers and ASE gain spectra

    图  4  透射端EDFA增益光谱部分平坦前后对比图

    Figure  4.  Comparison diagram of EDFA spectra before and after flattening partially at transmission port

    图  5  透射端EDFA增益光谱全部平坦前后对比图

    Figure  5.  Comparison of EDFA spectra before and after complete flattening at transmission port

    图  6  120 mW下透射端功率损耗量化结果

    Figure  6.  Quantified results of transmission power loss at 120 mW

  • [1] MEARS R J, REEKIE L, JAUNCEY I M, <italic>et al</italic>. Low-noise erbium-doped fibre amplifier operating at 1.54 μm[J]. <italic>Electronics Letters</italic>, 1987, 23(19): 1026-1028. doi:  10.1049/el:19870719
    [2] SRIVASTAVA A K, SUN Y, ZYSKIND J L, <italic>et al</italic>. EDFA transient response to channel loss in WDM transmission system[J]. <italic>IEEE Photonics Technology Letters</italic>, 1997, 9(3): 386-388. doi:  10.1109/68.556082
    [3] YANG A, WANG T, ZHENG J Q, <italic>et al</italic>. A single-longitudinal-mode narrow-linewidth dual-wavelength fiber laser using a microfiber knot resonator[J]. <italic>Laser Physics Letters</italic>, 2019, 16(9): 025104.
    [4] YANG Z Q, HUANG T J, CHANG Y J, <italic>et al</italic>. Switchable dual-wavelength single-longitudinal-mode erbium fiber laser utilizing a dual-ring scheme with a saturable absorber[J]. <italic>Laser Physics</italic>, 2018, 28(6): 065104. doi:  10.1088/1555-6611/aab655
    [5] HUI X L, LIN R J. Gain efficient L-band EDFA with dynamic gain equalization[J]. <italic>Acta Optica Sinica</italic>, 2003, 23(S1): 355-356.
    [6] ZHANG L, ZHAN L, <italic>et al</italic>. Large-region tunable optical bistability in saturable absorber-based single-frequency Brillouin fiber lasers[J]. <italic>Journal of the Optical Society of America B</italic>, 2015, 32(6): 1113-1119. doi:  10.1364/JOSAB.32.001113
    [7] 颜玢玢, 王葵如, 余重秀, 等. 增益平坦的多波长泵浦宽带拉曼光纤放大器[J]. 光学 精密工程,2006,14(2):155-158.

    YAN B B, WANG K R, YU CH X, <italic>et al</italic>. Broadband gain-flattened multiwavelength pumped Raman fiber amplifier[J]. <italic>Optics and Precision Engineering</italic>, 2006, 14(2): 155-158. (in Chinese)
    [8] 聂玲, 饶云江, 廖天奎. 掺铒光纤放大器自动增益控制的DSP实现方法[J]. 光学 精密工程,2004,12(3):108-110.

    NIE L, RAO Y J, LIAO T K. Automatic gain control of EDFAs using DSP[J]. <italic>Optics and Precision Engineering</italic>, 2004, 12(3): 108-110. (in Chinese)
    [9] 赵小丽, 张钰民, 庄炜, 等. 级联光栅结合Sagnac环的可调谐光纤激光器[J]. 发光学报,2019,40(3):357-365. doi:  10.3788/fgxb20194003.0357

    ZHAO X L, ZHANG Y M, ZHUANG W, <italic>et al</italic>. Tunable fiber laser based on cascaded grating combing with Sagnac loop[J]. <italic>Chinese Journal of Luminescence</italic>, 2019, 40(3): 357-365. (in Chinese) doi:  10.3788/fgxb20194003.0357
    [10] WANG P H, WANG L, SHI G H, <italic>et al</italic>. Stable multi-wavelength fiber laser with single-mode fiber in a Sagnac loop[J]. <italic>Applied Optics</italic>, 2016, 55(12): 3339-3342. doi:  10.1364/AO.55.003339
    [11] SONG Y J, ZHAN L, HU S, <italic>et al</italic>. Tunable multiwavelength Brillouin-erbium fiber laser with a polarization-maintaining fiber Sagnac loop filter[J]. <italic>IEEE Photonics Technology Letters</italic>, 2004, 16(9): 2015-2017. doi:  10.1109/LPT.2004.833097
    [12] GUO CH Y, LUO R H, LIU W Q, <italic>et al</italic>. Comb multi-wavelength, rectangular pulse, passively mode-locked fiber laser enhanced by un-pumped Erbium-doped fiber[J]. <italic>Optics Communications</italic>, 2018, 406: 107-111. doi:  10.1016/j.optcom.2017.07.080
    [13] HE W, ZHU L Q, MENG F Y, <italic>et al</italic>. Selectable and stable C-band multi-wavelength ring cavity erbium-doped fiber laser employing Sagnac loop and tunable filter[J]. <italic>Optik</italic>, 2019, 176: 528-534. doi:  10.1016/j.ijleo.2018.09.063
    [14] ROTA-RODRIGO S, IBAÑEZ I, LÓPEZ-AMO M. Multi-wavelength fiber laser in single-longitudinal mode operation using a photonic crystal fiber Sagnac interferometer[J]. <italic>Applied Physics B</italic>, 2013, 110(3): 303-308. doi:  10.1007/s00340-012-5325-x
    [15] CHEN D. Stable multi-wavelength erbium-doped fiber laser based on a photonic crystal fiber Sagnac loop filter[J]. <italic>Laser Physics Letters</italic>, 2007, 4(6): 437-439. doi:  10.1002/lapl.200710003
    [16] 车永康, 侯尚林, 雷景丽, 等. 高非线性光纤中受激布里渊散射快光提前及脉冲形变[J]. 发光学报,2017,38(8):1083-1089. doi:  10.3788/fgxb20173808.1083

    CHE Y K, HOU SH L, LEI J L, <italic>et al</italic>. Time advancement and pulse distort of stimulated Brillouin scattering fast light high nonlinear optical fibers[J]. <italic>Chinese Journal of Luminescence</italic>, 2017, 38(8): 1083-1089. (in Chinese) doi:  10.3788/fgxb20173808.1083
    [17] HUANG F Q, CHEN T, SI J H, <italic>et al</italic>. Fiber laser based on a fiber Bragg grating and its application in high-temperature sensing[J]. <italic>Optics Communications</italic>, 2019, 452: 233-237. doi:  10.1016/j.optcom.2019.05.046
    [18] ZHANG K, KANG J U. C-band wavelength-swept single-longitudinal-mode erbium-doped fiber ring laser[J]. <italic>Optics Express</italic>, 2008, 16(18): 14173-14179. doi:  10.1364/OE.16.014173
    [19] LIU Y, ZHANG M J, WANG P, <italic>et al</italic>. Multiwavelength single-longitudinal-mode Brillouin- erbium fiber laser sensor for temperature measurements with ultrahigh resolution[J]. <italic>IEEE Photonics Journal</italic>, 2015, 7(5): 6802809.
    [20] 石俊凯, 王国名, 纪荣祎, 等. 结构紧凑的双波长连续波掺铒光纤激光器[J]. 中国光学,2019,12(4):810-819. doi:  10.3788/co.20191204.0810

    SHI J K, WANG G M, JI R Y, <italic>et al</italic>. Compact dual-wavelength continuous-wave Er-doped fiber laser[J]. <italic>Chinese Optics</italic>, 2019, 12(4): 810-819. (in Chinese) doi:  10.3788/co.20191204.0810
    [21] 况庆强, 桑明煌, 梁培斯, 等. 光纤中超连续谱的产生及多波长输出[J]. 发光学报,2010,31(1):137-140.

    KUANG Q Q, SANG M H, LIANG P S, <italic>et al</italic>. Supercontinuum generation and multi-wavelength output in fiber[J]. <italic>Chinese Journal of Luminescence</italic>, 2010, 31(1): 137-140. (in Chinese)
    [22] KUMAR N, SHENOY M R, PAL B P. A standard fiber-based loop mirror as a gain-flattening filter for erbium-doped fiber amplifiers[J]. <italic>IEEE Photonics Technology Letters</italic>, 2005, 17(10): 2056-2058. doi:  10.1109/LPT.2005.856323
    [23] YEH C H, YANG Z Q, HUANG T J, <italic>et al</italic>. Utilizing wheel-ring architecture for stable and selectable single-longitudinal-mode erbium fiber laser[J]. <italic>Optics Communications</italic>, 2018, 410: 923-925. doi:  10.1016/j.optcom.2017.11.074
    [24] LI SH P, CHIANG K S, GAMBLING W A. Gain flattening of an erbium-doped fiber amplifier using a high-birefringence fiber loop mirror[J]. <italic>IEEE Photonics Technology Letters</italic>, 2001, 13(9): 942-944. doi:  10.1109/68.942654
    [25] LIU Y, YU J L, WANG W R, <italic>et al</italic>. Single longitudinal mode brillouin fiber laser with cascaded ring Fabry–Pérot resonator[J]. <italic>IEEE Photonics Technology Letters</italic>, 2014, 26(2): 169-172. doi:  10.1109/LPT.2013.2290191
    [26] LI L, ZHANG M J, LIU Y, <italic>et al</italic>. Stable single-longitudinal-mode erbium-doped fiber laser with narrow linewidth utilizing parallel fiber ring resonator incorporating saturable absorber and fiber Bragg grating[J]. <italic>Applied Optics</italic>, 2015, 54(13): 4001-4005. doi:  10.1364/AO.54.004001
    [27] MORTIMOR D B. Fiber loop reflectors[J]. <italic>Lightwave Technology Journal</italic>, 1998, 6(7): 1217-1224.
    [28] 贾振安, 李丽, 乔学光, 等. 高平坦度的三级双泵浦结构C+L波段超荧光光源[J]. 光学 精密工程,2010,18(3):558-562.

    JIA ZH A, LI L, QIAO X G, <italic>et al</italic>. High flattening C+L-band erbium-doped superfluorescent light source with three-stage two-pumping structure[J]. <italic>Optics and Precision Engineering</italic>, 2010, 18(3): 558-562. (in Chinese)
    [29] ZOU H, LOU SH Q, YIN G L, <italic>et al</italic>. Switchable dual-wavelength PM-EDF ring laser based on a novel filter[J]. <italic>IEEE Photonics Technology Letters</italic>, 2013, 25(11): 1003-1006. doi:  10.1109/LPT.2013.2253453
  • [1] 明昕宇, 国旗, 薛兆康, 潘学鹏, 陈超, 于永森.  飞秒激光刻写低温度灵敏度的细芯长周期光栅 . 中国光学, doi: 10.37188/CO.2020-0015
    [2] 朱雨雨, 郗亚茹, 张亚妮, 江鹏, 薛璐, 许强.  长周期光纤光栅光谱特性仿真研究 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.2019-0152
    [3] 党文佳, 李哲, 李玉婷, 卢娜, 张蕾, 田晓, 杨慧慧.  高功率连续波掺镱光纤激光器研究进展 . 中国光学, doi: 10.37188/CO.2019-0208
    [4] 肖永川, 王超, 张浩, 张亚标, 庾财斌, 瞿鹏飞, 孙力军.  光放大器对光载微波信号传输效率的改善 . 中国光学, doi: 10.37188/CO.2019-0195
    [5] 孟佳, 张伟, 赵开祺, 余婷, 吴闻迪, 于春雷, 李璇, 李兴冀, 叶锡生, 曹清.  国产化掺铥光纤激光振荡器性能研究 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20191205.1109
    [6] 吴闻迪, 余婷, 陶蒙蒙, 李兴冀, 叶锡生.  掺铥光纤γ射线辐照效应实验研究 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20181104.0610
    [7] 胡孔云, 肖光宗, 张莹, 陈鑫麟, 谢元平.  采用超连续谱激光的双光束光纤光阱实验 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20171003.0370
    [8] 李彤, 张美玲, 王菲, 张大明, 汪国平.  键合型掺铒纳米晶-聚合物波导放大器的制备 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20171002.0219
    [9] HERMSDORF J?rg, KAIERLE Stefan.  光电偶效应和光束整形对激光稳定气体保护焊接的增益 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140701.0112
    [10] 张帆, 李秋顺, 姚卫国, 郑晖, 马耀宏, 董文飞.  覆膜长周期光纤光栅在生化分析中的应用及研究进展 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140701.057
    [11] LOVE John.  光导在折射率引导光纤、多孔光纤、光子带隙光纤和纳米线中的简要定性解释 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140703.0499
    [12] 蔡红星, 胡馨月, 李昌立, 谭勇, 徐立君, 毕娟, 张喜和.  强激光毁伤过程的热辐射谱测量 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20120503.0277
    [13] 匡尚奇.  超冷原子中的拉曼增益光栅 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20120505.0464
    [14] 刘亮, 崔俊伟, 李文景, 王蓟, 张云琦, 刘桂岐, 彭以新.  LD泵浦的准连续输出双包层掺镱光纤激光器 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20120506.0663
    [15] LIU Shuo, LIU Yan-ge, LIU Run-yu, LI Hong-xiao, XIE Hong-bin, WANG Shu.  基于高双折射光子晶体光纤环镜的全光纤平顶梳状滤波器 . 中国光学,
    [16] 梁浩, 张旭苹, 路元刚.  基于自发布里渊散射的双路分布式光纤传感器设计与实现 . 中国光学,
    [17] 郝影, 孔梅, 卢俊.  带有增益的单微环谐振器的光速控制行为 . 中国光学,
    [18] 冷洁, 张晓霞, 王仕超, 周勇, 王祥斌, 陈沛然.  铒镱共掺光波导激光器的稳态特性 . 中国光学,
    [19] 骆永石, 张家骅, 张霞.  掺铒碲钨酸盐玻璃光谱性质的研究 . 中国光学,
    [20] 沈兆国, 张萍.  一种掺钕光纤激光器与倍频技术实现的数值模拟 . 中国光学,
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-21
  • 修回日期:  2020-06-08
  • 网络出版日期:  2020-09-15

掺铒光纤Sagnac环掺铒光纤放大器增益平坦特性

doi: 10.37188/CO.2020-0064
    基金项目:  国家自然科学基金青年项目(No. 61705157,No. 61404140403,No. 61805167);国家自然科学基金面上项目(61975142,61475112);山西省回国留学人员科研资助项目(No. 2017-key-2);山西省重点研发计划项目(No. 201903D121124)
    作者简介:

    刘 毅(1984—),男,山西长治人,博士,副教授,2007年、2010年于中北大学分别获得学士学位、硕士学位,2014年于天津大学获得博士学位,主要从事光纤激光器和光纤传感方面的研究。E-mail:liuyi@tyut.edu.cnliuyi@tyut.edu.cn

    郭荣荣(1991—),女,山西孝义人,硕士研究生,2015年于太原理工大学获得学士学位,主要从事光纤激光器和光纤传感方面的研究。E-mail:guorr212@163.com

  • 中图分类号: O433.4

摘要: 在通信领域,特别是波分复用方面为了同时调整多通道增益和实现多波长光纤激光器大范围稳定的光波输出,本文提出了一种未泵浦掺铒光纤Sagnac环透射端掺铒光纤放大器增益平坦特性研究方案,其由Sagnac环自身谐振模式、未泵浦掺铒光纤的吸收特性和由环中双折射拍长引起的谐振模式3者共同作用。通过调节Sagnac环中的偏振控制器,使得掺铒光纤放大器(EDFA)增益光谱在非泵浦掺铒光纤Sagnac环透射端可以被部分或者全部平坦化。实验结果表明:在透射端14 nm的波长范围内,部分增益光谱的平坦度为±0.145 dB;整个C波段光谱36.5 nm的波长范围内,增益光谱的完全平坦度为±1.225 dB。该增益谱平坦方案结构简单,输出光谱平坦度好,有望用于波分复用系统和多波长激光器中。

English Abstract

刘毅, 郭荣荣, 易小刚, 郑永秋, 陈鹏飞. 掺铒光纤Sagnac环掺铒光纤放大器增益平坦特性[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0064
引用本文: 刘毅, 郭荣荣, 易小刚, 郑永秋, 陈鹏飞. 掺铒光纤Sagnac环掺铒光纤放大器增益平坦特性[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0064
LIU Yi, GUO Rong-rong, YI Xiao-gang, ZHENG Yong-qiu, CHEN Peng-fei. Erbium-doped fiber amplifier gain-flatness of a sagnac loop with an erbium-doped fiber[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0064
Citation: LIU Yi, GUO Rong-rong, YI Xiao-gang, ZHENG Yong-qiu, CHEN Peng-fei. Erbium-doped fiber amplifier gain-flatness of a sagnac loop with an erbium-doped fiber[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0064
    • 掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)在波分复用WDM和多波长光纤激光器中起着极其重要的作用。1987年,南安普顿大学的Mears等人首先报道了掺铒光纤放大器EDFA[1],由于其良好的性能优势,EDFA在光学系统中被广泛用作放大器和激光光源。在波分复用系统中,研究者将EDFA置于光路中作为功率放大器、中继放大器和前置放大器来增强光信号的功率,可实现多通道增益同时均匀放大[2]。然而,在多波长光纤激光器中,由于EDFA具有高增益、大带宽、高泵浦功率和输出功率等优点,同时也是多波长信号放大的关键器件,许多研究者将其作为激光光源和增益介质使用,对其增益谱进行了广泛深入地研究[3-8]

      将一段光纤的两端分别与耦合器的光纤臂连接就可以构成一个Sagnac环[9]。以往的研究表明,在结构中加入带有不同种类光纤的Sagnac环可以实现稳定的、可调谐的单纵模多波长激光输出。例如,2016年,Wang P H[10]等人在Sagnac环中使用了2 km单模光纤来抑制腔内模竞争,输出稳定的多波长激光器。环中加入保偏光纤的保偏Sagnac环可用作梳状滤波器,也受到了诸多研究者的广泛关注[11-13]。许多研究者还将光子晶体光纤接入Sagnac环中,从而获得高光信噪比的单纵模多波长激光器[14-15]。由于掺铒光纤具有良好的吸收特性,同样,它也被添加到Sagnac环中,在多波长激光器系统中用作可饱和吸收器[6, 16]或可自动跟踪波长的无源光纤滤波器[17-18]。但是,由于EDFA的增益光谱(Amplified Spontaneous Emission, ASE)不平坦,极大地限制了WDM和多波长系统[19-21]中的可用带宽,因此,该方法也被用于EDFA增益谱ASE的平坦化处理[22]

      本文提出了一种未泵浦掺铒光纤Sagnac环透射端EDFA增益谱平坦特性研究方案。将10 m长的未泵浦掺铒光纤与分光比为50∶50的耦合器连接,构成Sagnac环,同时在环中加入偏振控制器(Polarization Controllers, PCs),通过调节Sagnac环中的PCs,可以使环透射端输出的EDFA增益谱部分或者全部平坦。与现有的平坦化技术[11, 22-23]相比,该方案结构简单,输出光谱平坦度好,不需要在装置中加多段高双折射光纤[24]。最终,通过实验研究得到Sagnac环透射端输出的EDFA增益谱在14 nm的波长范围内的部分平坦度为±0.145 dB,在整个C波段36.5 nm范围内,增益谱完全平坦度为±1.225 dB。

    • 实验装置图和示意图分别如图1(a)1(b)所示。实验装置由EDFA、一个光隔离器(Optical Isolator, ISO)和一个带有10 m Un-EDF的Sagnac环组成。在EDFA中,980 nm泵浦光源通过980 nm/1550 nm WDM耦合器反向注入到掺铒光纤(Erbium-Doped Fiber, EDF)。这种注入方式可以有效隔离980 nm泵浦光,防止环中的Un-EDF被泵浦。之后,EDFA产生的增益谱光E1经过ISO被正向传输进入Sagnac环。当入射光从Sagnac环的一个端口注入到分光比为50:50的2×2耦合器(Optical Coupler, OC)时,它被分成两束光E3E4,一束顺时针沿环传输,另一束逆时针传输,最终在耦合器相遇,从环的透射端(E2)进入分辨率带宽(RBW)为0.03 nm、视频带宽(VBW)为1 kHz、采样点为5001的光谱分析仪(OSA)进行分析。

      图  1  EDFA增益平坦实验装置图及示意图

      Figure 1.  Experiment a setup and schematic diagram of the gain-flattened EDFA

    • EDFA增益谱的平坦性是由Sagnac环自身谐振模式下的自由光谱范围(Free Spectral Range, FSR)、未泵浦掺铒光纤(Unpumped Erbium-Doped Fiber, Un-EDF)的吸收特性和由Sagnac环双折射拍长引起的双折射波长间隔共同作用的结果。如图2所示,图2(1)是初始的ASE增益谱,图2(2)是Sagnac环本身的自由光谱范围,图2(3)是EDF吸收特性曲线。通过调节两个偏振控制器PC,折射率差将发生变化,导致环中拍长变化,从而获得不同的双折射波长间隔,如图2(中的4,5)所示。最终,三者结合使得ASE光谱在Sagnac环透射端被完全平坦(6)或部分平坦(7)。

      图  2  EDFA增益谱平坦原理图

      Figure 2.  Schematic diagram of the gain-flattened for EDFA

      Sagnac环的${\rm{ FSR }}$、拍长${L_P}$和波长间隔$\Delta \lambda $分别可以表示为[25-27]

      $$FS{R_1} = \frac{c}{{nL}} ,$$ (1)
      $${L_P} = \frac{\lambda }{B},$$ (2)
      $$\Delta \lambda {\rm{ = }}\frac{{{\lambda ^2}}}{{B \cdot {L_a}}},$$ (3)

      式中:$c$为真空中的光速,$n$为光纤芯的有效折射率,$L$为Sagnac环的有效长度,$B$为光纤的双折射率;$\lambda $为光波长,${L_a}$为环中掺铒光纤的长度。

      考虑EDF中掺铒离子的两级4I15/24I13/2,饱和吸收系数可表示为[18, 28]

      $$\partial \left( {\textit{z}} \right) = \frac{{{a_0}}}{{1 + \dfrac{{I\left({\textit{z}} \right)}}{{{I_{{\rm{sat}}}}}}}},$$ (4)

      式中:${a_0}$为介质的线性吸收系数; ${I_{{\rm{sat}}}}$为饱和吸收系数。

      为达到EDFA的增益谱平坦,需要调节图1中PC1和PC2,以调节循环光的偏振状态。假设光E1从耦合器的一端输入,输入场具有任意的偏振状态,在xy平面上可以被分成两个正交向量,用琼斯矩阵表示[27, 29]:

      $$\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{E_{\rm{3}}}} \\ {{E_4}} \end{array}} \right) = {\left( {1 - \gamma } \right)^{\frac{1}{2}}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{{\left( {1 - K} \right)}^{\frac{1}{2}}}}&{j{K^{\frac{1}{2}}}} \\ {j{K^{\frac{1}{2}}}}&{{{\left( {1 - K} \right)}^{\frac{1}{2}}}} \end{array}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{E_1}} \\ {{E_2}} \end{array}} \right),$$ (5)

      其中,${E_m}$(m = 1,2,3,4)是场的复振幅,$K$xy偏振方向的场的强度耦合系数,$\gamma $代表耦合器的额外损耗。

      ${E_3}$依次通过PC1,未泵浦掺铒光纤和PC2时,

      $${E_4' = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos {\theta _2}}&{\sin {\theta _2}} \\ { - \sin {\theta _2}}&{\cos {\theta _2}} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{e^{ - j\varphi }}}&0 \\ 0&{{e^{j\varphi }}} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos {\theta _1}}&{\sin {\theta _1}} \\ { - \sin {\theta _1}}&{\cos {\theta _1}} \end{array}} \right]{E_3},}$$ (6)

      同理,

      $${E_3' = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos {\theta _1}}&{ - \sin {\theta _1}} \\ {\sin {\theta _1}}&{\cos {\theta _1}} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{e^{ - j\varphi }}}&0 \\ 0&{{e^{j\varphi }}} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos {\theta _2}}&{ - \sin {\theta _2}} \\ {\sin {\theta _2}}&{\cos {\theta _2}} \end{array}} \right]{E_4},}$$ (7)

      式中,${\theta _1}$${\theta _2}$分别是光通过PC1和PC2的旋转角度,$\varphi $是未泵浦掺铒光纤中两正交分量的相位差,可以表示为:

      $$\varphi = \frac{{{\text{π}} L\Delta n}}{\lambda },$$ (8)

      式中,$L$是未泵浦掺铒光纤的长度,$\Delta n$为掺铒光纤快轴和慢轴间的折射率差,$\lambda $是其工作波长。

      之后,场$E_3'$$E_4'$再次通过耦合器,出射场$E_1'$$E_2'$为:

      $$\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {E_1'} \\ {E_2'} \end{array}} \right) = {\left( {1 - \gamma } \right)^{\frac{1}{2}}}\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {{{\left( {1 - K} \right)}^{\frac{1}{2}}}}&{j{K^{\frac{1}{2}}}} \\ {j{K^{\frac{1}{2}}}}&{{{\left( {1 - K} \right)}^{\frac{1}{2}}}} \end{array}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {E_3'} \\ {E_4'} \end{array}} \right),$$ (9)

      通过调节PC1和PC2来改变${\theta _1}$${\theta _2}$,进而使得增益谱平坦。

    • 首先,Sagnac环通过隔离器连接到EDFA,其输出光谱记录在OSA中。通过计算得到不同泵浦功率下Un-EDF的吸收曲线,如图3所示。结果表明,实验测量的吸收峰位于1530 nm附近。

      图  3  不同泵浦功率下的EDF吸收曲线和ASE增益谱

      Figure 3.  Absorption of the EDF at different pump powers and ASE gain spectra

      其次,通过调节PC1和PC2,在不同的双折射条件下,可以使部分增益光谱在透射端平坦,如图4所示。实验表明,当泵浦功率调节到120 mW时,被平坦后的增益谱部分波动最小。在此基础上,保持PCs的偏振状态不变,将泵浦功率降低到90 mW和60 mW发现,随着泵浦功率的减小,增益谱平坦度和范围减小,如图4(a)所示。这是Sagnac环本身的FSR和Un-EDF吸收特性导致的结果。图4(b)中,Output处,14 nm (1543.8~1557.8 nm)波长范围内,增益谱的波动从1.32 dB降至0.29 dB。

      图  4  透射端EDFA增益光谱部分平坦前后对比图

      Figure 4.  Comparison diagram of EDFA spectra before and after flattening partially at transmission port

      最后,通过调节两个PC可以使整个增益谱变平坦,使增益在多波长上保持均匀。如图5所示,当泵浦功率为120 mW时,在从1532 nm到1568.5 nm的波长范围内,整个增益谱的不平坦度降至±1.225 dB,并且36.5 nm的波长平坦范围几乎占据了整个C波段。然而,当980 nm激光输入的泵浦功率降低时,Un-EDF对光功率的吸收逐渐增强,光谱波动增强。输入功率越小,这种现象越明显。如果在低输入功率下调节PC,光谱仍然可以被平坦,但平坦度和相应的波长范围减小。

      图  5  透射端EDFA增益光谱全部平坦前后对比图

      Figure 5.  Comparison of EDFA spectra before and after complete flattening at transmission port

      该增益平坦器中使用了未泵浦掺铒光纤Sagnac环,与保偏光纤Sagnac环和单模光纤Sagnac环相比,虽然输出功率有一定程度的损耗,但是若将这种方案应用于布里渊多波长激光器中,可以获得窄线宽激光输出。图6是在120 mW下Sagnac环透射端的增益谱完全被平坦化时的功率损耗量化结果。图6表明在1530 nm附近的吸收最强,损失最大,约40.78 dB。在36.5 nm波长的平坦范围内,仍主要受掺铒光纤吸收特性的影响,中间区功率损耗高于10 dB。除了器件插入损耗的影响外,输出功率的下降主要是由于光纤中铒离子的存在,Sagnac环中掺铒光纤具有吸收特性。

      图  6  120 mW下透射端功率损耗量化结果

      Figure 6.  Quantified results of transmission power loss at 120 mW

    • 本文详细地研究了未泵浦掺铒光纤Sagnac环透射端EDFA增益平坦特性。实验结果表明,利用未泵浦掺铒光纤Sagnac环构成的铒增益平坦方案可以使EDFA增益谱在透射端被部分或全部平坦化。在14 nm的波长范围内,部分增益谱平坦度为±0.145 dB;在整个C波段(36.5 nm范围)内,全部增益谱平坦度为±1.225 dB。相较于多段高双折射光纤环,本文提出的研究方案结构简单,获得的EDFA增益谱平坦度好。如果将该平坦方案广泛应用于波分复用和多波长激光器中,可以获得更多功率平坦的激光输出。

参考文献 (29)

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