一种新的基于光纤的动态可调谐Lyot滤波器

诸如光纤布拉格光栅和Lyot滤波器之类的可调谐光学梳状滤波器已经被部署来实现多波长激光运转，用于波分复用光学通信和各种其他应用。与光纤布拉格光栅相比，Lyot滤波器具有宽的连续波长相关传输光谱特性的优点，光纤布拉格光栅具有有限的带宽和相对较大的群延迟波动。然而，在大多数先前实现的梳状滤波器中，滤波器传输频谱的信道间隔是固定的且是不可调整的。

**Lyot滤波器是由Bernard Lyot于1933年发明的一种具有宽带工作特性的梳状滤波器。**它已被用于各种应用，如光谱成像、光学通信和激光系统。基于光纤的Lyot滤波器通常通过在两个偏振器之间放置一段双折射光纤（例如一段保偏光纤）来构造。滤波器的波长间隔可以通过改变保偏光纤的长度来调谐。通过旋转两段保偏光纤，实现了有效光纤长度的离散逐步调谐。然而，这不是用于滤波器波长间隔的动态和连续调谐的实用技术。环路型偏振控制器中由光纤的扭曲和挤压引起的少量但显著的双折射足以影响Lyot滤波器的光谱特性。此外，在偏振调谐运转期间，应力诱导的双折射也将受到偏振控制器的旋转的影响。安装在环形偏振控制器内的光纤将充当具有可调谐双折射的光学元件，从而可以调谐Lyot滤波器的总双折射。因此，通过利用偏振控制器产生的双折射，可以获得非常简单的连续可调谐光纤梳状滤波器。

最近，人们对双波长锁模光纤激光器越来越感兴趣，该激光器能够从单个激光腔产生两个不同波长的脉冲，用于双梳光谱和太赫兹波产生等应用。为了在光纤激光器中实现双波长锁模，可以在激光腔中插入可编程衰减器来控制掺铒光纤的光谱增益分布，以平衡两个激光波长之间的增益竞争。然而，仅通过改变腔损耗来稳定地控制掺铒光纤的严格增益条件是非常困难的。实际应用需要具有更好灵活性和稳定性的新方法。另一方面，锁模激光器中的波长可调谐性也是光谱学、光学通信、光纤传感器和生物医学研究等应用所需的重要特征。各种器件已被用于调谐锁模激光器的波长，例如基于薄膜的光学带通滤波器和光纤布拉格光栅。然而，这些器件具有有限的波长调谐范围和相对高的插入损耗。

01

实验装置

根据理论，Lyot滤波器的自由光谱范围与双折射率和保偏光纤长度的乘积成反比。为了实现锁模运转，需要比锁模输出频谱宽度更宽的自由频谱范围。在这里，研究人员设计了一种自由光谱范围为30 nm的动态可调谐Lyot滤波器，使用23cm长的保偏光纤。该滤波器的原理图结构，如图1所示。如上所述，内部具有弯曲和扭曲光纤的偏振控制器足以影响Lyot滤波器的传输。所设计的Lyot滤波器的计算透射光谱特性，如图2a所示，随总双折射率的变化而变化，图2b所示。在图2a中，不同的颜色表示不同的总双折射，而偏振角保持不变。应力引起的双折射的变化估计约为10 ^-7^ ，比23厘米长的保偏光纤的双折射小一千倍。尽管双折射的这种变化只能略微改变自由光谱范围，但由于1550 nm的频率接近192 THz，1550 nm附近的传输将经历许多周期。因此，这个小的变化肯定会影响Lyot滤波器的中心峰值。根据应力诱导的双折射，总双折射的变化约为保偏光纤的1/1000。从模拟结果来看，光谱透射峰的位置可通过总腔双折射的微小变化来调节，这与理论分析一致。因此，这种具有宽自由光谱范围的光谱透射特性适合于锁模运转的波长调谐。在图2b中，不同的颜色指的是偏振控制器的不同偏振角，而总双折射保持不变。通过改变偏振控制器的偏振角，可调整光谱传输幅度，这与理论一致。这种效应可以用来平衡掺铒光纤增益谱中的两个突出增益峰值。因此，可利用该滤波器效应来实现双波长锁模运转。如上所述，通过旋转偏振控制器，偏振角和总双折射都将改变。因此，使用这种动态可调Lyot滤波器，传输剖面应该是图2a和图2b的组合。基于上述分析，可以通过简单地调整偏振控制器来调谐透射光谱的峰值位置和振幅。

图1 ** 动态可调谐Lyot滤波器结构示意图。**

图2 不同颜色的Lyot滤波器的透射光谱对应于：(a) 总双折射（模拟），(b) 偏振角（模拟）和(d) 偏振控制器的状态（实验），(c) 可调谐Lyot滤波器透射的测试系统。

研究人员进行了一项实验，如图2(c)所示，以测试所设计的Lyot滤波器的光谱传输特性：使用商用保偏掺铒光纤放大器（EDFA）（Amonics AEDFA-PM-23-B-FA）的放大自发辐射（ASE）作为测试源并使用50/50光耦合器将源分为两条路径：直接使用光谱分析仪作为参考水平进行测量，而另一条路径在使用光谱分析仪进行测量之前通过可调谐Lyot滤波器启动。可调谐Lyot滤波器的测量光谱透射，如图2(d)所示，其中不同颜色的曲线图表示偏振控制器的不同状态。轨迹显示了偏振控制器在不同旋转状态下不同的光谱峰值位置和振幅，这与上述模拟结果非常吻合。

**激光实验装置的示意图，如图3所示。**使用5米长的掺铒光纤作为增益介质，在1550 nm处正常色散为50 ps ^2^ /km。掺铒光纤使用980 nm泵浦激光二极管，通过前向泵浦方案中的980/1550波分复用耦合器进行泵浦。使用光学隔离器确保单向运转并使用碳纳米管（CNT）可饱和吸收体对激光器进行锁模，该吸收体由喷涂碳纳米管的光纤连接器夹在中间，插入损耗为1.2 dB。可调谐Lyot滤波器插入激光腔中，用作波长选择元件。20/80光耦合器的20%输出用作输出端口。在波分复用和用于色散管理的光耦合器之间插入额外的13米长的标准单模光纤，其在1550 nm处的反常色散为-17 ps ^2^ /km。所有无源光纤组件的尾纤均由标准单模光纤制成，总腔长约为30 m。使用光谱分析仪（横河6375）、4 GHz示波器（KEYSIGHT DSO-S 404A）、带有5 GHz光电探测器（DET08CFC/M）和自相关仪（Femtochrome FR-103 XL） 分别具有尾纤输入。

图3 ** 具有碳纳米管可饱和吸收体和可调谐Lyot滤波器的锁模环腔激光器示意图。** （WDM：波分复用器；EDF：掺铒光纤；PI-ISO：偏振不敏感隔离器；PMF：保偏光纤；PC：偏振控制器；OC：光耦合器；SMF：单模光纤）。

02

双波长锁模光纤激光器

掺铒光纤的增益谱在1532 nm和1555 nm处具有两个显著的增益峰，其增益水平取决于泵浦和增益饱和条件。然而，由于两个增益峰之间的模式竞争，通常，当激光腔的泵浦和增益饱和条件没有仔细匹配时，只能获得单波长锁模脉冲。在激光器中，可以通过简单地调整偏振控制器来调整透射光谱发布以允许双波长锁模运转，从而容易地抑制模式竞争。双波长锁模运转的阈值功率为17.2 mW。激光器的输出中心波长分别为1535 nm和1564 nm，如图4(a)所示。当泵浦功率大于40.1 mW时，激光器在1564 nm处变为多脉冲工作，在40.1 mW泵浦功率下，总输出功率为489.6 μW。工作在双波长锁模状态下的脉冲串的时间波形，如图4(b)所示。测量到的150 ns的脉冲周期与30 m的总腔长一致。频谱，如图4(c)所示，重复率为6.38 MHz。通过测量分辨率带宽较小的10 Hz频域中的脉冲，可观察到这些双色脉冲的不同重复率。重复率的差异被测量为340 Hz，这是由于腔中的群速度色散导致在两个分离的激光波长处的不同往返群延迟。重复率差可以通过使用不同类型的光纤来调谐，以在激光腔中提供不同的平均群速度色散。根据图4(d)中的频谱测量，这两个脉冲的信噪比分别为51 dB和53 dB。

**脉冲在1535 nm和1564 nm处的光谱和自相关迹可以通过使用带宽和波长可调的平顶光学带通滤波器（Alnair Labs BVF-200）在测量前过滤掉每个波长分量来分别测量。**如图4(a)和图5(a)所示，假设为高斯波形，1535 nm输出脉冲分量的光谱半宽度为4 nm，推断脉冲半最大全宽为853 fs。此外，如图4(a)和图5(b)所示，1564 nm脉冲分量的光谱半宽度和推断的半最大全宽分别为3.6 nm和1000 fs。1535 nm和1564 nm脉冲的时间带宽积分别为0.442和0.441，这接近假设高斯波形的变换限制值0.441。

图4 （a）双波长锁模光纤激光器的输出特性：（a）光谱（分辨率：0.05 nm），（b）时域示波器波形，（c）频谱（分辨率带宽：1 kHz）和（d）频谱，分辨率带宽：10 Hz。

图5 （a）1535 nm脉冲和（b）1564 nm脉冲的自相关迹线。

03

波长可调锁模光纤激光器

通过调谐偏振控制器，锁模光纤激光器可以在单波长锁模模式下工作，中心波长范围为1532 nm至1562 nm，如图6所示。由于激光腔中的群速度色散，不同波长的锁模脉冲预计将在略微不同的孤子条件下工作，这可以从不同工作中心波长下不断变化的光谱形状和Kelly边带中注意到。此外，由于光谱透射峰值的幅度对于不同的偏振控制器状态而变化，这导致当被调谐为在不同波长下运转时脉冲的输出强度的变化。它还显示了覆盖整个C波段增益谱的30 nm波长可调谐范围。由于Lyot滤波器在光谱中具有连续的波长相关的传输带，因此，相同的滤波器可以潜在地应用于使用增益介质的其他波长范围，例如掺铥光纤和掺镱光纤。

**为了进一步确认可调谐Lyot滤波器的功能，特意将保偏光纤和偏振器从腔中移除。**在这种情况下，只能产生1556 nm的单波长锁模输出。这确实表明，所提出的可调谐Lyot滤波器是实现双波长锁模机制和可调谐单波长锁模的关键器件。此外，在24小时内测试了双波长锁模光纤激光器的稳定性，而不会降低激光器的输出性能。

图6 单波长锁模状态下的输出光谱（中心波长从1532 nm调谐到1562 nm）。

总之，研究人员提出了一种新的光纤激光器设计，该设计使用基于光纤的可调谐Lyot滤波器进行双波长锁模和可调谐单波长锁模运转。Lyot滤波器通过简单地调整偏振控制器来操作，以允许偏振状态和总双折射同时改变，这导致滤波器光谱透射峰值波长和振幅的可调谐性。首先，研究人员提出使用一段可调谐双折射元件来调谐Lyot滤波器的传输。即使可调谐元件的变化比保偏光纤的双折射小1000倍，也足以调谐Lyot滤波器的传输峰值。可以相信，这种新的可调谐机制将为更简单的动态Lyot滤波器开辟新的方向。这里，通过调节偏振控制器，实现了1535 nm和1564 nm的双波长锁模。此外，还可以获得可调谐范围为1532 nm至1562 nm的单波长锁模激光器。与之前实现的其他基于Lyot滤波器的激光器不同，这种新型的基于光纤的Lyot滤波器在一个激光腔中提供了灵活的动态调谐优势，而无需重建不同的激光腔。可以相信，具有这种新型滤波器的激光器设计可以极大地简化光纤激光器的双波长和波长可调谐锁模装置且在双梳光谱、太赫兹产生和光纤传感等各种应用中非常有前景。