基于宇称-时间对称性破缺的单纵模布里渊掺铒光纤激光器实现超窄线宽输出

本刊推荐：本研究创新性地将宇称-时间（PT）对称原理应用于布里渊-掺铒混合光纤激光器（BEFL）设计，通过偏振工程萨格纳克环与千米级单模光纤的协同作用，在打破增益-损耗平衡时实现3.75 Hz超窄线宽和70 dB边模抑制比。该突破为相干光通信和分布式光纤传感提供了高性能激光平台解决方案。

　　

^实验装置

图1展示了基于PT对称的单纵模窄线宽布里渊掺铒光纤激光器（BEFL）实验装置。该配置采用包含PT对称系统的环形腔结构，由环行器1（cir1）、可调光学滤波器（TOF, EXFO XTM-50）、980/1550 nm波分复用器（WDM）、10米掺铒光纤（EDF）、1公里单模光纤（SMF）、输出耦合器（OC1, 90:10）和环行器2（cir2）构成。PT对称系统包含OC2（50:50）、两个偏振控制器（PC1和PC2）以及偏振分束器（PBS）。NKT可调激光器提供1550.12 nm泵浦光，经EDFA放大后通过cir1注入SMF。当泵浦功率超过阈值时，受激布里渊散射（SBS）产生反向斯托克斯光，经EDFA二次放大后通过cir3进入PT对称系统。通过精密调节PC1和PC2，在萨格纳克环内实现顺时针（CW）与逆时针（CCW）传播路径的偏振相关增益-损耗平衡。

^{阈值特性与OSNR增强}

图3展示了系统的光谱特性。紫色光谱代表被动谐振腔内模式选择后的EDF自发辐射激光输出，呈现稳定的1550.12 nm中心波长。当NKT可调激光器作为泵浦源激活且中心波长与EDF增益谱精确对准时（黄色光谱），信号光强度显著增强。红色光谱显示在PT对称条件下获得的激光输出，表现出60 dB光学信噪比（OSNR）和卓越的边模抑制能力。值得注意的是，通过调节PC2改变萨格纳克环的耦合系数，可精确控制PT对称破缺阈值，当布里渊增益超过临界值时触发单纵模选择机制。

^结论

我们基于PT对称原理成功研制出单纵模窄线宽BEFL。相较于传统布里渊光纤激光器（BFL），该设计通过EDF线性增益补偿谐振腔损耗，实现高性能激光输出。实验采用PBS构建两个相互耦合的环路：一个提供增益，另一个引入损耗。通过精确控制这些环路的布里渊散射增益与损耗，实现PT对称性操作。当布里渊增益超过环路耦合系数时，PT对称破缺触发稳定的单纵模运转。该创新架构为相干通信和分布式传感等应用提供了紧凑型高性能激光解决方案。