异构芯干涉滤光片用于定制C波段掺铒光纤激光器的输出特性

《Optik》：Hetero-Core Interferometric Filter for Tailoring C-Band Erbium-Doped Fiber Laser Output

　　

摘要

本文提出了一种简单的方法，通过全光纤异芯干涉仪滤波器来调整掺铒光纤激光器（EDFL）的光谱输出。为了使光纤激光器在电信和光子交换等不同领域中发挥作用，控制其输出特性至关重要。本研究将马赫-曾德尔干涉仪（MZI）集成到EDFL环形腔中。MZI结构由一段无芯光纤（NCF）、一段薄芯光纤（TCF）和另一段无芯光纤（NCF）组成，这三段光纤通过熔接连接在两段单模光纤（SMF）之间。多模干涉发生在NCF和TCF部分。这种结构作为适当的内腔光谱滤波器，其周期性传输谱可以确定可能的激光波长。使用 polarization controller（PC）调整激光腔内的偏振状态，有效控制增益介质中各种模式之间的竞争，从而实现对激光输出的精确控制。实验结果表明，激光输出可以在稳定的单波长、双波长、三波长和四波长模式之间切换，每种模式的信噪比（SNR）均超过45 dB；同时，通过高性能异芯MZI的折射率（RI）传感技术，实现了16.9 nm范围内单波长的调节。这些研究说明，异芯MZI是一种适用于修改光纤激光器性能的可靠且实用的技术，为开发高度可配置的光源提供了可能。

引言

根据全球数据流量标准，受云计算、5G/6G网络和人工智能应用的推动，需要高容量和可扩展的光通信系统[1]。下一代光网络要求具备密集波分复用（DWDM）兼容性和通道灵活性。可调掺铒光纤激光器（EDFL）在传统的（C波段，1530-1565 nm）和扩展的（L波段，1565-1625 nm）波长范围内工作，是DWDM系统的重要光源，而DWDM系统是先进光网络的基础[2][3]。带有干涉仪滤波器的可调EDFL可以实现多个数据通道在同一根光纤上共存，并符合国际电信联盟（ITU-T）的网格间距标准[4]。

EDFL系统可为边缘网络中的低成本、节能发射器提供单波长模式；为高级调制方案或冗余通道传输提供双波长和多波长模式；并根据需求实现波长切换[5][6][7][8]。推动对可调EDFL需求的关键趋势包括弹性光网络（EONs）、数据中心互连、5G/6G前传和回传技术以及相干传输系统[9]。

全光纤可调滤波器是现代光网络中创建多功能和高性能光源的关键策略[10]。通过将可调滤波器直接放置在激光腔内，一个激光源可以产生多种波长的光，从而无需多个固定波长的激光器。这对于灵活和可扩展的光通信系统（如可重构光添加/删除复用器（ROADMs）至关重要[11]。常见的光纤滤波器包括法布里-珀罗滤波器（Fabry–Pérot）、光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating）、锥形光纤（tapered fiber）和萨尼亚克环干涉仪（Sagnac loop interferometer）[12][13][14][15]。然而，这些滤波器使用笨重复杂的外部设备进行调节，成本高且不稳定，还需要额外的电源[15]。

已经研究了多种生成可调多波长EDFL的方法[16][17][18]，但大多数方法需要复杂的制造技术，这可能会影响调节精度和稳定性。全光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）提供了一种紧凑的替代方案。近年来，MZI被用作光纤激光腔中的波长选择滤波器，用于调节和多波长生成[19]。与其它滤波器相比，MZI具有制造简便、插入损耗低以及与光纤系统高度兼容等优点[20][21]。虽然已经报道了多种MZI配置，包括双通道和梳状滤波器配置[22]，但大多数设计仅使用一个MZI，这限制了干涉可见性，并需要锥形七芯或双芯光纤等特殊光纤，这些光纤制造困难[23][24][25]。最近，研究人员探索了全光纤干涉仪（如异芯MZI）这一有前景的替代方案，它提供了一种简单、低损耗且高度可调的光谱控制方法。该滤波器的周期性传输谱可选择性启动或抑制EDFL腔内的激光波长。通过改变滤波光纤的长度，可以精确调整滤波器的自由光谱范围（FSR），从而动态控制激光的输出特性[26][27]。

本研究展示了如何结合偏振孔烧蚀（PHB）技术，利用异芯MZI滤波器通过简单调整TCF长度来定制EDFL的输出。通过采用异芯MZI光纤配置，解决了传统MZI结构的缺点，提出了一种全新的全光纤解决方案，利用异芯MZI作为内腔梳状滤波器，实现EDFL输出的高精度光谱控制。关键在于将可调长度的TCF集成到NCF-TCF-NCF干涉仪中，并通过熔接连接到两段SMF之间，然后将其集成到EDFL环形腔中。多模干涉发生在NCF和TCF部分。这种结构作为适当的内腔光谱滤波器，其周期性传输谱可以确定可能的激光波长。使用 polarization controller（PC）调整腔内的偏振状态，有效控制增益介质中各种模式之间的竞争，从而实现对激光输出的精确控制。实验表明，激光输出可以在稳定的单波长、双波长、三波长和四波长状态之间切换，所有状态的信噪比均超过45 dB。

异芯MZI滤波器的周期性传输谱允许选择性地激活ITU-T网格兼容的波长，在单波长和双波长操作中实现稳定性，例如：

•

稳定的单波长输出（10 mm TCF），适用于传统的单通道传输。

•

双波长操作（20-30 mm TCF），适用于通道倍增或差分相移应用。

这些研究表明，异芯MZI是一种适用于修改光纤激光器性能的可靠且实用的技术。本文提出了一种经济高效、多功能的光纤激光器解决方案，用于DWDM系统，利用异芯MZI作为内腔梳状滤波器，确保稳定的单波长输出、双波长操作和可调的波长间距。

章节摘录

异芯MZI的制造和原理

图1展示了所提出的传感器的示意图。其制造过程分为两个阶段：第一阶段是制作传感部分，将一段Thorlabs 980HP TCF与两段Thorlabs FG125LA NCF（NCF1和NCF2）连接起来；第二阶段是将组装好的部件通过熔接连接到两段Corning SMF-28（SMF1和SMF2）以实现模式耦合。该过程简单，仅包括切割和熔接。

EDFL环形腔的实验装置

所提出的环形腔配置如图6所示。该腔使用一段10 mm长的掺铒光纤（Nufern, EDFC-980-HP）作为有源增益介质。泵浦源采用了一个输出功率可达300 mW的976 nm LD（BL976-SAG300）。泵浦光通过980/1550 WDM（Thorlabs, WD9850BA）注入腔内。为了进行光谱滤波和选择激光波长，在环形腔中放置了异芯MZI。此外，还使用了在线偏振控制器（Thorlabs PLC-900）。

可调单波长EDFL输出

通过将带有10 mm TCF的异芯MZI浸入不同折射率的NaCl溶液中，实现了EDFL波长的选择。溶液的浓度变化时，激光线的峰值波长也会相应变化。制备了五种不同浓度的NaCl溶液，这些溶液是通过将不同浓度的NaCl混合到去离子水中得到的。NaCl溶液的浓度分别为0%、5%、10%、20%和30%。

结论

总之，所提出的光子结构（MZI）采用NCF-TCF-NCF段（长度几毫米）并通过熔接连接到两段SMF之间制造并进行了测试。可以使用EDFL环形腔作为波长选择器来分析MZI在光纤激光应用中的性能。在线偏振控制器有效调节了偏振孔烧蚀现象，防止了铒离子增益的扩展。集成到EDFL环形腔中的滤波器实现了单波长/双波长的输出通道。

披露

作者声明没有财务利益、商业关联或其他可能影响本研究客观性或论文撰写的潜在利益冲突。

CRediT作者贡献声明

Adil Fadhil Mushatet：撰写——审稿与编辑，项目管理。Lwaa Faisal Abdulameer：资源获取，数据整理。Tania Tareq Salim：撰写——审稿与编辑，监督， methodology设计。Ali Salah Mahdi：撰写——初稿编写，项目管理，方法学设计，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究内容。

致谢

本研究得到了伊拉克巴格达大学（UoB）高等教育与科学研究部（MOHESR）的支持。

代码和数据的可用性

本文中呈现的数据目前尚未公开，但可根据合理要求向作者获取。

Ali Salah Mahdi|Tania Tareq Salim|Lwaa Faisal Abdulameer|Adil Fadhil Mushatet

伊拉克巴格达大学Al-Khwarizmi工程学院