基于三环结构实现稳定可调谐L波段掺铒光纤激光器的单纵模运转

《IEEE Access》：Triple-Ring Design for Stable and Tunable L-Band Erbium Fiber Laser With Single-Frequency

　　本文报道了一种采用三环腔结构的掺铒光纤激光器，通过游标效应实现单纵模运转，有效抑制多纵模噪声。该激光器在1568.0-1616.0 nm范围内实现48 nm连续调谐，输出功率达8.3 dBm，光学信噪比优于69 dB，线宽窄至0.625 kHz，且在30分钟内功率波动小于0.75 dB，波长漂移小于0.048 nm，为光通信、传感等领域提供了高性能光源解决方案。

　　

在当今光子学领域，可调谐单纵模掺铒光纤激光器因其窄线宽、高输出功率和宽调谐范围等优异特性，成为波长分割多路复用系统、光学传感和毫米波通信等应用的核心光源。然而，掺铒光纤增益介质的均匀展宽特性易导致波长竞争，而长腔结构则会引发多纵模振荡，严重制约激光器的稳定性和实用性。传统解决方案包括光学注入、超窄带滤波和饱和吸收体等方法，但往往面临调谐范围有限或结构复杂等挑战。特别是实现L波段（1560-1600 nm）稳定单纵模输出时，通常需要专用L波段掺铒光纤作为增益介质，这增加了系统复杂性和成本。

针对这一技术瓶颈，台湾逢甲大学光电系的研究团队在《IEEE Access》上发表了一项创新研究，提出了一种基于三环结构的新型掺铒光纤激光器设计方案。该设计巧妙利用游标效应实现模式选择，在L波段实现了稳定单纵模运转，同时保持了优异的调谐性能和频谱纯度。

研究团队采用的核心技术方法包括：首先构建由三个光纤环（长度分别为27 m、26 m和2 m）组成的复合谐振腔，通过精确控制各环的自由光谱范围产生游标效应；其次在腔内集成可调带通滤波器实现波长选择，结合偏振控制器和偏振器优化偏振状态；最后采用延迟自外差测量法对激光线宽进行精确表征。

实验设计与结果分析

研究人员设计的激光系统核心是一个包含L波段掺铒光纤放大器（EDFA）的环形腔，增益介质提供1568-1604 nm的有效增益范围。三环结构由三个2×2 50:50耦合器（CPR1）和一个1×2 50:50耦合器（CPR2）构成，形成具有不同光纤长度的三个子环。理论计算表明，Ring1、Ring2和Ring3的自由光谱范围（FSR）分别为7.57 MHz、7.86 MHz和34.06 MHz，这种FSR失配条件增强了波长选择性，仅允许特定波长同时满足所有环的谐振条件。

波长调谐特性

通过调节可调带通滤波器（TBF），激光器在1568.0-1616.0 nm范围内实现了48 nm的连续调谐。如图3所示，七个代表性波长输出光谱显示背景噪声得到有效抑制，特别是在有效输出光谱范围中心区域表现更佳。测量数据显示，输出功率范围为-5.9至8.3 dBm，光学信噪比（OSNR）介于53.56-69.19 dB之间。值得注意的是，最短波长1568.0 nm处获得了最高输出功率（8.3 dBm）和58.68 dB的OSNR，这一现象与常规EDF激光器明显不同，归因于三环结构特有的模式筛选机制。

线宽与单纵模验证

采用延迟自外差测量装置对1588.0 nm波长进行线宽表征，该装置包含73 km光纤延迟线、声光调制器（AOM）和马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构。图5(a)显示55 MHz处清晰的拍频信号，且无多纵模噪声，证实了单纵模运转。通过洛伦兹曲线拟合测得3-dB线宽为0.625 kHz（图5b），达到亚千赫兹级别，表明该结构能有效压缩线宽。

输出稳定性评估

短期稳定性测试显示，在30分钟观测期内，1588.0 nm波长的功率波动小于0.75 dB，波长漂移小于0.04 nm（图6）。全调谐范围稳定性验证表明，所有波长点的功率波动为0.35-0.9 dB，波长漂移为0.024-0.048 nm（图7），证明该激光器具有良好的环境抗干扰能力。

研究结论与意义

该研究成功演示了一种基于三环结构的L波段掺铒光纤激光器，通过游标效应实现稳定的单纵模运转。激光器在48 nm调谐范围内表现出优异的输出特性：功率最高达8.3 dBm，OSNR优于69 dB，线宽窄至0.625 kHz，且具备良好的功率和波长稳定性。这种简洁有效的模式筛选机制为高性能光纤激光器设计提供了新思路，在光通信、精密测量和传感领域具有重要应用价值。特别是其亚千赫兹线宽特性，使其成为相干通信系统和毫米波信号生成的理想光源。