光纤型梳状滤波器的研究和设计毕业设计论文Word文件下载.docx
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tianshuw@
2011年12月12日接受;
2012年2月21日校订;
2012年2月21日完成;
2012年2月22日通告(Doc.ID:
159647);
2012年3月28日出版
我们提出并证明了一个基于双光纤Sagnac环的可调谐多波长
光纤激光器。
使用琼斯矩阵分析了单个和两个Sagnac环梳状
滤波器的特性。
模拟结果显示两个Sagnac环的可调谐性和可
控性比单个环的更好,这个结论也被实验结果所确认。
通过调
整偏振控制器和保偏光纤的长度,可实现波长范围、波长间隔
和激光线宽的调谐。
实验结果表明多波长光纤激光器输出激光
的线宽为0.0187nm和光学边模抑制比为50dB。
©
美国光学学会2012
OCIS编码:
060.3510,140.3600,060.2420,120.5790
1.引言
工作在波长1550nm附近的多波长光纤激光器已经吸引了许多人的兴趣,它可以应用于密集波分复用(DWDM)系统,精细光谱学,光纤传感和微波(RF)光电[1-4]等领域。
多波长光纤激光器可以通过布拉格光纤光栅阵列[5],锁模技术[6-7],光学参量振荡器[8],四波混频效应[9],受激布里渊散射效应实现[10-12]。
掺铒光纤(EDF)环形激光器可以提供大输出功率,高斜度效率和大可调谐波长范围。
例如,作为一种可调谐EDF激光器,带有单个高双折射光纤Sagnac环的多波长光纤激光器已经提出[13-15]。
输出波长可以通过调整偏振控制器(PC)进行调谐,波长间隔可以通过改变保偏光纤(PMF)的长度进行调谐。
然而,对于单个Sagnac环光纤激光器来说,波长间隔和线宽都不能独立调谐[16]。
密集波分复用(DWDM)系统要求激光波长调谐更灵活,否则会限制这些激光器的应用。
一个双Sagnac环的多波长光纤激光器能提供更好的可调谐性和可控性。
采用这种结构,可以实现保持线宽不变的波长间隔可调谐,以及保持波长间隔不变的线宽调谐。
本文提出和证明了一种双Sagnac环可调谐多波长掺铒光纤环形激光器。
多波长选择由两个Sagnac环实现,而每个环由一个3dB耦合器,一个PC,和一段高双折射PMF组成。
本文模拟分析了单个和两个Sagnac环的梳状滤波器的特征。
实验中,得到输出激光的半峰全宽(FWHM)是0.0187nm,边模抑制比(SMSR)是50dB。
通过调整两个PC可以实现多波长激光器输出的大范围调谐。
与单环结构相比,改变PMF长度可以独立调谐波长间隔和激光线宽。
本文中提出的双Sagnac环光纤激光器是先前单Sagnac环多段PMF多波长光纤激光器工作的延伸,其在DWDM系统,传感和仪表测试中具有潜在应用。
2.实验装置和操作原则
提出的多波长光纤激光器的实验装置示意图如图1(a)中所示。
一个980nm的泵浦激光二极管(LD)通过一个980/1550nm波分复用(WDM)耦合到一段EDF中。
用一个能提供10%反馈功率的90/10光纤耦合器耦合出激光输出。
多波长光纤激光器通过双Sagnac环进行调谐。
如图1(b)所示,高双折射Sagnac环由一个3dB耦合器,一段PMF,一个PC组成。
端口3和端口4通过一个PC和一段PMF连接起来。
光束从端口1进入耦合器并被耦合器平均分成两束。
这两束反向传播的光束在环中重新耦合。
由于PMF的高双折射影响,光束在两个轴(快轴和慢轴)上出现相位差。
因此,当光通过PMF时会产生一个角度偏差,通过PC时会产生另一个角度偏差。
当反向传播过一个光纤环后,两束光束在耦合器上干涉。
Sagnac环的输出特性可以用Jones矩阵分析。
PMF的Jones传播矩阵可以描述为:
(1)
这里的
是光在快轴和慢轴传播相同距离所产生的相位差,L是PMF的有效长度,
是波长,
是两个轴的有效折射率差。
还有,
和
是快轴和慢轴的有效折射率指数。
因为当光传播通过一个PC时偏振角偏转为
,通过PC的透射光束的Jones矩阵可以描述为:
(2)
端口1的入射光电矢量为
,端口2的入射光电矢量为
(
=0)。
被耦合器分成
。
设
为
通过PC和PMF的光学矢量,
通过PC和PMF的光学矢量。
因此,
相干叠加后在端口1反射,在端口2透过:
(3)
端口1的入射功率为
,反射功率为
端口2的反射功率为
透射率为:
(4)
这个说明单Sagnac环的透射率与偏振偏转角度和两个轴的相位差有关。
正如图2的模拟结果所示,PMF长度越大,滤波周期越短和滤波带宽越窄。
但是,周期和带宽不能单独调谐。
另外,PMF双折射率越高,滤波周期越短和滤波带宽越窄。
对双Sagnac环来说,在两个Sagnac环之间安装一个光纤隔离器可以消除反射光。
因此,双环的透射率可以描述为:
(5)
很明显,双Sagnac环的透射率与长度或者基于Eq(5)两段PMF的折射率差有关。
其次,滤波周期和带宽分别由一段较短的PMF和一段较长的PMF决定,输出激光可以通过单独调整PC状态和PMF长度进行调谐。
在双Sagnac环结构中,两段PMF长度分别为2m和1m,模拟结果如图3(a)所示。
图中我们能看到滤波周期在变而滤波带宽不变。
保持一个Sagnac环中的PMF为2m长不变,图3(b)表明改变另一个Sagnac环中较长PMF(>
2m)的长度可以改变滤波带宽但使滤波周期不变。
因此,使用双Sagnac环光纤激光器可以实现波长间隔和带宽独立调谐。
图1(a)基于双Sagnac高双折射光纤环干涉仪的可调谐多波长光纤激光器(b)Sagnac干涉环
图2(彩色线)单Sagnac环的透射率谱
图3(彩色线)双Sagnac环的透射率谱(a)线宽不变时的可调谐滤波器的周期
(b)周期不变时的可调谐滤波器的线宽
3.实验及结果
在实验中,隔离器1的作用是确保光单向传播和降低噪声。
掺铒光纤的长度,截至波长,数值孔径和在1530nm附近的峰值吸收分别为12m,960nm,0.23,7dB/m。
PMF的长度为5m和2m,双折射拍长小于5.0mm。
泵浦光功率为300mW,我们使用一种光谱分析仪(AQ6370B)监视输出激光。
根据模拟结果可以得出改变短PMF长度可以调谐滤波周期,滤波器中所有的传播光会产生多个激光。
由于增益谱平坦度和偏振衰减的限制,滤波带宽的部分光将被抑制。
激射波长的数量对PC状态敏感。
中心波长在1549.6nm的三波长激光运行如图4中所示,激光器的SMSR大于50dB。
多波激光器不规则的输出频谱主要由不精确的PMF折射率差,不精确的PMF长度和接头损耗引起。
图4(b)显示了超过10分钟周期,每隔2分钟重新扫描得到的激光输出光谱,其激光波长在1544.9、1549.6和1554.3nm,可以观察到稳定的输出功率和波长。
对三波长激光光功率的测量表明最大的功率起伏小于0.2dB,波长起伏小于0.02nm。
偏振偏转角度可以通过调整PC1和PC2进行调谐,因此输出激光的波长和波长间隔也可以调谐。
如图5所示,调整两个PC可以观察到多波长输出激光在C波段内的(a)短波长和(b)长波长。
图5(c)整个C波段可以观察到多波长输出激光,并且激光器稳定性随着振荡模式的增加而降低。
在实验中,我们观察到输出波长间隔可以通过调整两个PC进行调谐。
如图6所示,多波长光纤激光器的波长间隔从2.82(a)降到1.76(b)nm。
调整PC,滤波器带宽中的部分光不会达到阈值。
其次波长大小和波长间隔可以通过PC调谐。
通过调整PC,我们观察到能够实现稳定输出峰值的波长最大数目是6个。
波长间隔可以通过改变基于Eq(5)的短PMF长度进行调谐。
在实验中,如图7(a)所示,我们可以观察到用5m长的长PMF和1m长的短PMF时波长间隔为2.81nm。
另外,如图7(b)所示,我们可以观察到用2m长的短PMF时波长间隔为1.79nm。
根据模拟和实验的结果,波长间隔随着短PMF长度增大而变小但带宽保持不变。
根据模拟结果,激光器线宽可以通过改变长PMF的长度进行调谐。
如图8(a)所示,当两段PMF长度为1m时能观察到0.036nm的3dB线宽;
如图8(b)所示,当长PMF为5m时能观察到0.0187nm的3dB线宽。
实验结果表明了激光线宽随着长PMF长度增大而变小但波长间隔保持不变。
因此,模拟结果[图3(b)]已经用实验结果证实。
峰值线宽越小,光纤激光器的抗环境干扰能力越弱,但抖动起伏小于0.02nm。
图4(彩色线)多波长光纤激光器的输出光谱(a)三波长激光光谱(b)10分钟内重复检测输出光谱
图5多波长激光输出光谱(a)短波长带(b)长波长带(c)整个C波段
图6可调谐波长间隔在输出激光光谱(a)波长间隔为2.82nm(b)波长间隔为1.76nm
图7改变短PMF长度的输出多波长激光器光谱(a)1m长的短PMF(b)2m长的短PMF
图8改变长PMF长度的输出多波长激光器光谱(a)1m长的长PMF(b)2m长的长PMF
4.结论
我们提出并证明了基于双Sagnac环的可调谐多波长环型EDF激光器。
通过Jones矩阵分析了单个和两个Sagnac环梳状滤波器的特性。
模拟结果表明双Sagnac环比单Sagnac环具有更好的可调谐性和可控性。
3dB的输出激光的线宽测量为0.0187nm,SMSR为50dB。
通过调整两个PC可以观察到大范围可调谐多波长光纤激光器的输出,能够实现稳定输出峰值的波长最大数目是6个。
改变短PMF长度可以调谐波长间隔而不改变线宽;
改变长PMF长度可以独立调谐激光线宽。
我们由衷地感谢中国自然科学基金的支持(项目号6907020)。
5、参考文献
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外文原文一:
Tunablemultiwavelengthfiberlaserbased
onadoubleSagnacHiBifiberloop
TianshuWang,*XuefengMiao,XuefangZhou,andShengQian
CollegeofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China
*Correspondingauthor:
tianshuw@
Received12December2011;
revised21February2012;
accepted21February2012;
posted22February2012(Doc.ID159647);
published28March2012
AtunablemultiwavelengthfiberlaserbasedondoubleSagnacloopsispro-
posedanddemonstrated.CombfiltercharacteristicsofsingleanddoubleSag-
nacloopsareanalyzedbyJonesmatrix.Simulatedresultsshowthatthere
arebettertunabilityandcontrollabilitywithdoubleloopsthanwithasingle
loop,andthisalsohasbeenconfirmedbyexperimentalresults.Byadjusting
thepolarizationcontrollerandthelengthofthepolarizationmaintainingfiber
thewavelengthrange,wavelengthspacing,andlaserlinewidthcanbetuned.
Experimentalresultsindicatethatthelinewidthofthemultiwavelengthfiber
laserwas0.0187nmandtheopticalsidemodesuppressionratiowas50dB.
2012OpticalSocietyofAmerica
OCIScodes:
060.3510,140.3600,060.2420,120.5790.
1.Introduction
Multiwavelengthfiberlasersoperatingonthewavelengtharound1550nmhaveattractedmuchinterest,suchassourcesfordensewavelengthdivisionmultiplexing(DWDM)systems,precisespectroscopy,opticalfibersensingandRFphotonics[1–4].AmultiwavelengthfiberlasercanberealizedbyafiberBragggratingarray[5],themode-lockedtechnique[6,7],anopticalparametricoscillator[8],thefourwavemixingeffect[9],orthestimulatedBrillouinscatteringeffect[10–12].
Ringerbium-dopedfiber(EDF)laserscanprovidelargeoutputpower,highslopeefficiency,andawidetunablewavelengthrange.AsakindoftunableEDFlasers,multiwavelengthfiberlaserswithsinglehighbirefringence(HiBi)fiberSagnacloophavebeenhighlighted[13–15].Theoutputwavelengthcanbetunedbyadjustingthepolarizationcontroller(PC),andthewavelengthspacingcanbetunedbychanging
thelengthofpolarizationmaintainingfiber(PMF).However,neitherthewavelengthspacingnorthelinewidthcanbetunedindependentlyforsingleSagnacloopfiberlasers