通信工程光纤滤波器中英文对照外文翻译文献.docx

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通信工程光纤滤波器中英文对照外文翻译文献

中英文翻译

（文档含英文原文和中文翻译）

译文一：

基于一个高双折射光纤双Sagnac环的

可调谐多波长光纤激光器

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

和

。

设

为

通过PC和PMF的光学矢量，

为

通过PC和PMF的光学矢量。

因此，

和

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。

外文原文一：

Tunablemultiwavelengthfiberlaserbased

onadoubleSagnacHiBifiberloop

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[16].DWDMsystemsrequirethattuningofthelaserwavelengthbemoreflexible,ortheapplicationsoftheselaserswillbelimited.However,amultiwavelengthfiberlaserwithdoubleSagnacloopscanprovidesbettertenabilityandcontrollability.Forthisstructure,wavelengthspacingcanbetunedwhilekeepingthelinewidthunchanged,andlinewidthcanbetunedwhilekeepingwavelengthspacingunchanged.

Inthispaper,atunablemultiwavelengthringEDFlaserwithdoubleSagnacloopsisproposedanddemonstrated.ThemultiwavelengthselectionisperformedbytwoSagnacloops,andeachloopiscomposedofa3dBcoupler,aPC,andasegmentofHiBiPMF.ThecombfiltercharacteristicsofsingleanddoubleSagnacloopsaresimulatedandanalyzed.Inexperiment,theFWHMoftheoutputlaserismeasuredas0.0187nm,andthesidemodesuppressionratio（SMSR）is50dB.ByadjustingtwoPCs,themultiwavelengthlasercanbewidelytuned.BychangingthelengthofthePMF,thewavelengthspacingandthelinewidthcanbetunedindependently,comparedwithasingleloopstructure.Thedouble-Sagnac-loopfiberlaserproposedinthisworkisanextensionofpreviousworksonmultiwavelengthfiberlaserswithmultiplesectionsofPMFsinthesingleSagnacloop,andithaspotentialapplicationsinDWDMsystems,sensing,andinstrumenttesting.

2.ExperimentalSetupandOperationPrinciple

TheexperimentalsetupoftheproposedmultiwavelengthfiberlaserisshowninFig.1（a）.A980nmpumplaserdiode（LD）iscoupledintoasegmentofEDFthrougha980∕1550nmwavelengthdivisionmultiplexer（WDM）.Thelaseroutputiscoupledoutwitha90/10fibercoupler,whichprovides10%powerforfeedback.ThemultiwavelengthfiberlaseristunedbythedoubleSagnacloops.

AsshowninFig.1（b）,theHiBiSagnacloopiscomposedofa3dBcoupler,asegmentofPMF,andaPC.Port3andport4areconnectedtogetherthroughaPCandasegmentofPMF.Thebeamentersintothecouplerfromport1,andisdividedintotwobeamsbythecoupleraverager.Thesetwocounterpropagatingbeamsrecombineintheloop.DuetoHiBieffectofthePMF,thereisaphasedifferenceofthelightsontwoaxes（fastaxisandslowaxis）.Hence,whenthelightpassesthroughthePMF,thereisanangledeflection,andthereisanotherangledeflectionwhenthelightpassesthroughthePC.Aftertravelingthroughafiberloopoppositely,thetwobeamsinterfereinthecoupler.TheoutputcharacteristicsoftheSagnacloopcanbeanalyzedbyaJonesmatrix.TheJonestransmissionmatrixofthePMFcanbedescribedas

（1）

where

isthephasedifferencebetweenthelightonthefastaxisandthatontheslowaxisinthesametransmissiondistance,

istheeffectivelengthofthePMF,

isthewavelength,and

istheeffectiverefractivedifferencebetweentwoaxes.Then,

and

aretheeffectiverefractiveindicesofthefastaxisandtheslowaxis.

Sincethepolarizationangledeflectionofthelightis

whenthelighttransmitsthroughaPC,theJonesmatrixofthepositivetransmittinglightbeamthroughthePCcanbedescribedas

（2）

Theelectricvectoroftheincidentbeamis

atport1,andtheelectricvectoroftheincidentbeamis

atport2（

=0）.

issplitinto

and

bythecoupler.Let

betheopticalvectorofthe

throughthePCandthePMF,and

betheopticalvectorofthe

throughthePCandthePMF.Thus,

and

arereflectedatport1andtransmittedatport2aftercoherentsuperimposition:

（3）

Theincidentpoweratport1is

andthereflectivepoweris

.Thereflectivepoweratport2is

.Thetransmissivityis

（4）

Thisshowsthatsingle-Sagnac-looptransmissivityisrelatedtothepolarizationdeflectionangleandthephasedifferencebetweentwoaxes.AsshowninthesimulatedresultsinFig.2,thefilterperiodisshorterandthefilterbandwidthisnarrowerwhenthelengthofthePMFisincreased.However,theperiodandbandwidthcannotbetunedindependently.Inaddition,withthePMFbirefringenceshigher,thefilterperiodisshorterandthefilterbandwidthisnarrower.

ForthedoubleSagnacloops,afiberisolatorismountedbetweentwoSagnacloopsforeliminatingthereflectivelight.So,thetransmissivityofdoubleloopscanbedescribedas

（5）

Obviously,thetransmissivityofdoubleSagnacloopsisrelatedtothelengthortherefractiondifferenceoftwosegmentsofPMFsbasedonEq.（5）.Then,thefilterperiodandbandwidtharedeterminedbyashorterPMFandalongerPMF,respectively,andtheoutputlasercanbetunedbyadjustingthePCsandthelengthsofthePMFs.Inadouble-Sagnac-loopstructure,twosegmentsofPMFwere2mlongand1mlong.Figure3（a）showsthesimulatedresult.Fromthefigurewecanseethatthefilterperiodcanbechangedwhilethefilterbandwidthisunchanged.Keepinga2mlongPMFinoneSagnacloop,Fig.3（b）showsthatthefilterbandwidthcan