基于SOA的多波长光纤激光器的理论研究与测试分析

作     者：郝红甜 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周雪芳

授予年度：2021年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：半导体光放大器(SOA) 多波长光纤激光器 非线性光纤环形镜(NOLM) 非线性偏振旋转(NPR) 

摘      要：基于半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier,SOA）的多波长光纤激光器输出带宽大,功率高,且常温下易实现稳定的多纵模窄间隔输出,利用SOA的非线性效应还可以实现超窄波长间隔,因此具有极大的研究价值和发展潜力。本文通过对多波长SOA光纤激光器的相关理论进行研究分析,设计了四种基于SOA的多波长光纤激光器。主要内容如下:（1）首先介绍了多波长SOA光纤激光器的研究背景和意义,接着介绍了SOA以及基于SOA的光纤激光器的发展历程和目前已取得的一些进展。（2）对基于SOA的多波长光纤激光器的相关理论进行了研究分析,首先介绍了SOA的增益放大特性和非线性效应。接着对光纤激光器的滤波结构和稳频机制进行了研究和分析。（3）设计了一种使用非线性光纤环形镜（Nonlinear Optical Loop Mirror,NOLM）的稳定的多波长SOA光纤激光器。Lyot-Sagnac环形镜作为滤波器件,波长间隔由保偏光纤（Polarization-Maintaining Fiber,PMF）的长度决定。NOLM用作功率均衡器,以实现功率均衡并提高稳定性。此外,NOLM还可以抑制SOA均匀加宽线宽内的模式竞争效应。当PMF长度为7.3m时,此激光器在室温下实现了功率均衡的多波长输出,并且没有明显的功率波动,10dB带宽内的激光数量为31,波长间隔为0.63nm。通过增加PMF的长度可以实现更窄波长间隔的多波长输出,当PMF长度为13.5m时,10dB带宽内激光数量为45,波长间隔为0.34nm。当PMF长度为71m时,10dB带宽内的激光数量为149,波长间隔为0.078nm。（4）设计了一种基于SOA的非线性偏振旋转（Nonlinear Polarization Rotation,NPR）效应的多波长光纤激光器。该激光器利用SOA的NPR效应,将SOA,偏振控制器（Polarization Controller,PC）和偏振相关隔离器（Polarization Dependent Isolator,PDI）构成一个强度均衡器诱导产生强度相关损耗（Strength Dependent Loss,IDL）效应,抑制SOA均匀加宽线宽内的模式竞争。在室温下1524nm～1546nm范围内实现了波长间隔为0.63nm的35个稳定的多波长输出。此外,通过调节PC,实现了12nm范围的波长调谐。最后,增加PMF长度能够实现更小波长间隔的多波长输出。（5）设计了一种基于NPR效应及NOLM的多波长SOA光纤激光器。由于SOA的非均匀展宽和NPR效应,SOA在此激光器中被用作增益介质以实现具有超窄波长间隔的多波长输出。PC-SOA-PC-起偏器构成的组合和NOLM被用作强度均衡器诱导产生IDL去抑制模式竞争效应。Lyot-Sagnac环形镜用作波长选择器件。当PMF的长度为71m时,在10 dB带宽内激光数达到184条,波长间隔为0.08nm,边模抑制比（Side-Mode Suppression Ratio,SMSR）为22dB。最后,通过将PMF的长度更改为7.3m和13.5m,可以获得波长间隔分别为0.63nm和0.33nm,激光数分别为21和40的稳定的多波长输出。（6）设计了一种基于双通道马赫曾德尔干涉仪（Mach–Zehnder interferometer,MZI）的波长数量可调谐的多波长SOA光纤激光器。双通道MZI作为波长选择器件。同样的由PC-SOA-PC-起偏器结合NOLM抑制SOA均匀加宽线宽内的模式竞争效应。另外可以通过调节PCs来控制IDL的程度,以调谐波长的数量。此激光器在室温下实现了功率均衡的稳定多波长输出,没有明显的功率波动。波长间隔小至0.081nm,激光线的数量可以从168到250进行调谐。