基于σ腔光纖鎖模激光器

程 威，陳淑芬，李 暉，付 雷，鄒正峰，孟彥斌

(北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京100081)

1 引言

在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中要求激光有高重復(fù)頻率，無(wú)脈沖缺失，較低的相位和振幅噪聲等特點(diǎn)。被動(dòng)摻鉺光纖鎖模激光器很容易產(chǎn)生用于高比特率通信的脈寬為皮秒(ps)甚至飛秒(fs)級(jí)別的脈沖激光，但是它的脈沖循環(huán)超過(guò)一個(gè)周期的時(shí)候，很容易產(chǎn)生脈沖缺失、多重脈沖和不定脈沖間隔等缺點(diǎn)［1］。主動(dòng)摻鉺光纖鎖模激光器擁有良好的相位穩(wěn)定性和無(wú)脈沖缺失的優(yōu)點(diǎn)［2］，但是脈寬一般會(huì)比被動(dòng)鎖模激光器寬一點(diǎn)［3］。對(duì)于主動(dòng)鎖模激光器來(lái)說(shuō)，壓縮脈沖的方法主要是加大激光腔的長(zhǎng)度和提高調(diào)制頻率。

Thomas F.Carruthers等人設(shè)計(jì)了一種σ腔光纖鎖模激光器［4］，具有優(yōu)良的性能，但是在激光器的環(huán)形部分卻是利用了保偏光纖和偏振分束器來(lái)與普通光纖相連接。此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，插入損耗大，不利于實(shí)現(xiàn)。本文在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了激光腔結(jié)構(gòu)。利用普通光纖代替保偏光纖，利用耦合器代替偏振分束器，使激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便。并通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)得到與仿真結(jié)果一致的結(jié)論。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

σ型激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，980 nm的泵浦光進(jìn)入WDM，經(jīng)過(guò)色散補(bǔ)償光纖后進(jìn)入摻鉺光纖，又經(jīng)過(guò)一個(gè)WDM(作用是從980 nm和1550 nm的混合光中把980 nm的光分離出來(lái)，這樣的設(shè)計(jì)可以類似于980 nm隔離器的作用，成本卻很低)，然后波長(zhǎng)為1550 nm的光進(jìn)入環(huán)形器，由2端進(jìn)入3端，然后進(jìn)入偏振控制器和MZ相位調(diào)制器，從1端進(jìn)入2端后，沿著線性部分傳播，一直到90°法拉第反射鏡，波長(zhǎng)為1550 nm左右的光全部被反射回來(lái)從而形成回路，反射回來(lái)的激光在分束比為2∶8的耦合器的20%處輸出。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

此結(jié)構(gòu)的激光器具有兩處明顯優(yōu)點(diǎn):①由于采取了非保偏光纖的σ腔，因此當(dāng)光在線性腔部分傳輸?shù)臅r(shí)候，在同樣長(zhǎng)度的光纖上產(chǎn)生兩倍傳輸距離，從而可以在不加大光纖長(zhǎng)度的條件下增大光在激光腔中循環(huán)一圈的路程，即增大了腔長(zhǎng)，眾所周知，增加腔長(zhǎng)可以減小縱模間隔，在同樣的調(diào)制頻率下，鎖模脈沖也就會(huì)越窄。簡(jiǎn)而言之，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件(光纖長(zhǎng)度、調(diào)制頻率等)下，σ腔比環(huán)形腔能夠?qū)崿F(xiàn)更窄的脈寬。并且在環(huán)形部分使用的是普通光纖則使得激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，插入損耗小，而且容易搭建。②由于在線性腔末端采用90°法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡，與環(huán)形腔部分共同構(gòu)成諧振腔。法拉第反射鏡令線性腔內(nèi)雙向傳播的光束偏振態(tài)正交，使光在腔內(nèi)傳播時(shí)不滿足駐波條件，無(wú)法形成駐波，有效地抑制了空間燒孔現(xiàn)象。此外，本實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)行雙端泵浦或者單端泵浦的兩種泵浦方式。在雙端泵浦的情況下，必須要在WDM的980 nm端加上980 nm的隔離器，防止把980 nm的泵浦源打壞;在單端泵浦的情況下則不需要加980 nm激光的隔離器，因?yàn)閃DM把980 nm的光從980 nm和1550 nm的混合光中分離出來(lái)了，可以有效地降低了成本，本文采用的是單端泵浦的方式。

3 主動(dòng)鎖模摻鉺光纖激光器的理論和模擬仿真

采用脈沖跟蹤的方法，對(duì)激光器中的各個(gè)組件建模，然后初始信號(hào)設(shè)定為一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，通過(guò)此模型，最后演變成超短鎖模脈沖。在求解非線性薛定諤方程的時(shí)候使用的是分布傅里葉的方法。

以下是各個(gè)組件的模型。

3.1 普通單模光纖和色散補(bǔ)償光纖

色散補(bǔ)償光纖、色散位移光纖和普通單模光纖等都稱為有損光纖。對(duì)于脈寬大于5 ps的脈沖，光在此類光纖中傳播可以用非線性薛定諤方程(NLS)來(lái)描述［5］:

式中，u為脈沖包絡(luò)的慢變振幅;T是隨脈沖以群速度νg移動(dòng)的參考系中的時(shí)間量度:

式中，t是靜止坐標(biāo)系中的時(shí)間量度;νg是群速度;α是光纖的損耗系數(shù);β2是一階群速度色散;γ是光纖的非線性系數(shù)。方程等號(hào)右邊的三項(xiàng)分別是光脈沖在光纖中傳輸時(shí)的吸收效應(yīng)、色散效應(yīng)和非線性效應(yīng)。對(duì)于普通單模光纖和色散補(bǔ)償光纖來(lái)說(shuō)，模型是一致的，只不過(guò)是方程等號(hào)右邊的色散項(xiàng)不同而已。

3.2 摻鉺光纖

對(duì)于脈寬大于5 ps的脈沖，在摻鉺光纖中光的傳輸方程也可以用普通光纖的非線性薛定諤方程(NLS)表示，不過(guò)需要做兩點(diǎn)替換:①將式中的損耗系數(shù)α用增益系數(shù)g代替;②摻鉺光纖放大器的引入會(huì)改變色散系數(shù)，即式中的第二項(xiàng)要做一定的修正:

式中，ω表示增益帶寬，則將式(1)轉(zhuǎn)換成:

而式中的增益系數(shù)g，由下式可以近似地給出［6－7］:

式中，g0為小信號(hào)增益系數(shù);ps(z)是坐標(biāo)z處的信號(hào)光的平均頻率;psat為信號(hào)光的飽和功率。

3.3 LiNbO3調(diào)制器

本文用的LiNbO3調(diào)制器是JDS Uniphase公司生產(chǎn)的OC－192型調(diào)制器。它是M－Z干涉型相位調(diào)制器，它通過(guò)干涉的方式使通過(guò)兩路的光產(chǎn)生相位上的偏移，然后干涉產(chǎn)生光強(qiáng)上的變化，即通過(guò)瞬時(shí)的工作電壓的變化而使光強(qiáng)度透過(guò)率發(fā)生變化。其調(diào)制曲線可以用下式來(lái)表示:

其中，αM是調(diào)制器的插入損耗;V是調(diào)制器的瞬時(shí)工作電壓;Vπ為調(diào)制器的半波電壓。

調(diào)制器有兩個(gè)插口:直流偏置信號(hào)Vbias和射頻調(diào)制信號(hào)VRF。直流偏置信號(hào)的作用是選取合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。

其中，Vm和ω分別為射頻信號(hào)的振幅和頻率。

3.4 耦合器

光在通過(guò)光纖耦合器時(shí)，假如從1端口輸入的有比例為(1－σ)的部分出現(xiàn)在2端口，余下的σ部分出現(xiàn)在2端口，則有下面的傳輸矩陣來(lái):

3.5 法拉第90°反射鏡

法拉第90°反射鏡選用中心波長(zhǎng)為1550 nm，帶寬為±15 nm的反射鏡。對(duì)于此波段內(nèi)所有頻率的光都能讓偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°全反射回去，此實(shí)驗(yàn)主要是利用其反射光的特性。表1是仿真中所用到的器件參數(shù)。

表1 仿真所使用的器件參數(shù)

利用上表格中的所有參數(shù)，用Matlab對(duì)此實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。

圖2 激光器模型仿真結(jié)果

光在光纖里開始的時(shí)候是一個(gè)隨機(jī)的紅色信號(hào)，隨著脈沖在激光腔里傳播，慢慢地就能產(chǎn)生鎖模脈沖。大約在200圈的時(shí)候產(chǎn)生穩(wěn)定的鎖模脈沖。在上述的仿真參數(shù)下，在基頻條件下可得到脈寬為900 ps左右的脈沖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

按上述結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)搭建了激光器，在基頻調(diào)制下，得到了重復(fù)頻率為9.34 MHz的脈沖序列，如圖3所示。

圖3 示波器中顯示的激光脈沖序列

取示波器中的采樣數(shù)據(jù)，用Matlab對(duì)單個(gè)脈沖放大顯示，半高全寬約為980 ps，如圖4所示。

圖4 示波器顯示的激光脈沖的時(shí)間展寬圖

對(duì)于一般的光纖激光器來(lái)講，在不加入選模措施的情況下，輸出的激光總是多縱模的，并且它們之間沒有固定的相位關(guān)系。所謂鎖模就是在激光腔中加入特殊的調(diào)制，使多組縱模之間形成固定的相位差，這樣激光輸出是有固定相位關(guān)系的各縱模的相干疊加。輸出的激光的光強(qiáng)公式為:

其中，n為縱模數(shù)量;θ0為初相位;Ω為相鄰縱模之間的角頻率間隔。

因此，加大光纖長(zhǎng)度，就縮小了縱模間隔，對(duì)于固定的增益譜，就會(huì)使鎖模脈沖的峰值功率變大，脈寬更窄。而對(duì)于調(diào)制頻率來(lái)說(shuō)，增大調(diào)制頻率可以使更多的模式之間有固定的相位間隔，也可以縮短脈沖寬度。

總之，通過(guò)加大光纖長(zhǎng)度和調(diào)制頻率倍增都會(huì)縮短脈寬。由于本實(shí)驗(yàn)的光電轉(zhuǎn)換器件的限制，不能觀察到小于幾百皮秒(ps)的脈沖。可以在本文的基礎(chǔ)上，增加激光腔長(zhǎng)，增大調(diào)制頻率(一般會(huì)加到GHz)就會(huì)看到皮秒甚至是飛秒級(jí)別的脈沖輸出了。對(duì)于本文實(shí)驗(yàn)裝置旨在改進(jìn)激光腔的參數(shù)。由于有線性部分，由于脈沖寬度與激光腔的長(zhǎng)度成反比，在同樣的激光光程的條件下，線性腔比環(huán)形腔節(jié)省幾乎一半的光纖長(zhǎng)度。因此可以大大優(yōu)化激光器的參數(shù)。

5 結(jié)論

本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種σ腔光纖鎖模激光器，通過(guò)理論推導(dǎo)建立數(shù)學(xué)模型，在基頻下仿真得到脈寬為1 ns的鎖模脈沖，采用實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了重復(fù)頻率為9.43 MHz(基頻)，脈寬980 ps的激光脈沖。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。本文分析了此結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化激光器的參數(shù)，如果想要獲得更短的脈沖可以在本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加大光纖長(zhǎng)度，增大調(diào)制頻率，可以進(jìn)一步縮短脈寬。

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