高信噪比多波長2μm主動鎖模光纖激光器

趙 銘，王天樞

（1.廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363105；2.長春理工大學(xué)空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長春 130022）

引言

多波長激光由于其具有輸出信道數(shù)量高的特性，在光纖傳感、光學(xué)儀器、微波光子學(xué)、光信號處理等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力，尤其在激光通信波分復(fù)用系統(tǒng)（WDM）中應(yīng)用更為廣泛。主動鎖模光纖激光在產(chǎn)生高重頻窄脈寬鎖模脈沖的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)多波長輸出，此外，鎖模光纖激光與其他光纖器件兼容性好，是激光通信理想的載波光源。目前，有關(guān)多波長鎖模光纖激光器的報(bào)道均集中在1.55 μm 波段[1-4]。然而，2μm 波段處于人眼安全波段并且具有較高的大氣透過率，在激光雷達(dá)和空間激光通信方面有著潛在的應(yīng)用價(jià)值[5-8]。激光在大氣中傳輸時(shí)，氣體分子及氣溶膠的吸收和散射會引起能量衰減，根據(jù)米氏散射條件，散射光強(qiáng)度與波長的平方成反比。相比于1.55 μm 常規(guī)激光通信波段，2μm 波段在空間激光通信中有著更高的應(yīng)用價(jià)值[9-10]。為了提高2μm 波段空間激光通信的帶寬，研究多波長2μm 光纖激光器具有重要意義。

主動鎖模光纖激光器可以產(chǎn)生高重頻、窄脈寬的鎖模脈沖序列，被廣泛用于激光通信和高精度探測等方面[11-12]。通常在腔內(nèi)引入周期性的強(qiáng)度或相位的改變，使調(diào)制頻率為諧振腔基頻的整數(shù)倍，從而產(chǎn)生鎖模脈沖。在高階諧波鎖模工作狀態(tài)下，腔內(nèi)存在多組超模，這些模式都滿足諧振腔鎖模條件，他們同時(shí)振蕩且互相競爭導(dǎo)致了脈沖強(qiáng)度起伏[1-2]。同時(shí)，環(huán)境噪聲如溫度、振動導(dǎo)致的腔長及腔內(nèi)偏振態(tài)的改變影響了鎖模脈沖的時(shí)間穩(wěn)定性，當(dāng)高重頻鎖模脈沖用于高速數(shù)據(jù)傳輸載波時(shí)，環(huán)境噪聲與超模噪聲共同作用會導(dǎo)致誤碼率增加[3]。通過在腔內(nèi)添加Lyot 濾波器和偏振相關(guān)隔離器（PD-ISO），可以在實(shí)現(xiàn)多波長輸出的同時(shí)有效抑制兩種噪聲帶來的擾動，提高鎖模脈沖的信噪比。近年來，有關(guān)提高高重頻鎖模脈沖穩(wěn)定性的報(bào)道大多集中在1.55 μm 及1 μm 波段[4,13]，2016年，Zhou 等人[14]報(bào)道了一種產(chǎn)生矢量鎖模脈沖的摻鉺主動鎖模光纖激光器，重頻12.06 MHz，脈寬2 ns。同年，Kuznetsov 等人[13]研究了摻鐿主被動混合鎖模光纖激光器，重頻395 kHz，脈寬50 ps。關(guān)于2μm主動鎖模脈沖的研究多為單波長輸出，Qin 等人[10]提出了一種重頻1 GHz～6 GHz可調(diào)的線性腔摻銩主動鎖模光纖激光器，中心波長為1 959 nm，脈寬60 ps。Wang 等人[15]在摻銩色散管理腔內(nèi)利用NPR 被動鎖模實(shí)現(xiàn)了重頻可達(dá)14.5 GHz的高階諧波鎖模脈沖輸出，然而頻譜信噪比僅為19 dB，難以應(yīng)用于激光通信系統(tǒng)。Zeng 等人[16]通過縮短腔長的方法將2μm 孤子鎖模脈沖的重頻提高至1.25 GHz，同時(shí)脈沖寬度可達(dá)609 fs，頻譜信噪比高于75 dB。顯然，孤子鎖模脈沖的3 dB 帶寬限制了激光通信的頻帶利用率，針對空間激光通信系統(tǒng)的高信噪比，多波長2μm 鎖模光源的相關(guān)研究還需完善。

本文提出了一種提高主動鎖模光纖激光器穩(wěn)定性的方法，輸出的2μm 鎖模脈沖重頻可達(dá)2.448 GHz，通過在諧振腔內(nèi)加入Lyot 濾波器將鎖模脈沖的基頻頻譜信噪比提高到68.3 dB。產(chǎn)生的鎖模脈沖經(jīng)過數(shù)字信號調(diào)制后可測得調(diào)制眼圖，對比腔內(nèi)添加偏振無關(guān)隔離器（PI-ISO）和PDISO的調(diào)制眼圖光信噪比，發(fā)現(xiàn)PD-ISO 對環(huán)境噪聲有著抑制作用。此外，利用Lyot 濾波效應(yīng)可輸出2、3、4、5個(gè)波長信道的鎖模脈沖。

1 實(shí)驗(yàn)裝置組成與原理

高信噪比摻銩主動鎖模光纖激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高信噪比摻銩主動鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of high SNR thulium-doped actively modelocked fiber laser

泵浦源是一個(gè)中心波長為1 565 nm的激光二極管（laser diode，LD）和一個(gè)最高輸出功率1W的摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA），通過一個(gè)1 550/1950 nm的波分復(fù)用器（wavelength division multiplexer，WDM）將泵浦光耦合到諧振腔中，增益介質(zhì)為一段長度為2 m的摻銩光纖（TDF，Nufern SM-TDF-9/125），Lyot 濾波器由一個(gè)偏振控制器（polarization controller，PC1）和一段2 m 長的保偏光纖（polarization maintaining fiber，PMF）組成。腔內(nèi)添加偏振相關(guān)隔離器（polarization dependent isolator，PD-ISO）可以在確保光單向傳輸?shù)耐瑫r(shí)抑制腔內(nèi)偏振態(tài)改變，調(diào)制器為商用的2μm 馬赫-曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器（IXblue MX2000-LN-10），帶寬10 GHz，PC2用來調(diào)節(jié)進(jìn)入調(diào)制器的激光偏振態(tài)。微波信號源（Hittite HMC-T2220）的工作頻率范圍為10 MHz～20 GHz，輸出功率范圍為1 nW～1 W。1×2 光耦合器（optical coupler，OC）將10%的能量輸出到腔外再次經(jīng)過一個(gè)馬赫-曾德爾調(diào)制器調(diào)制，其余90%的能量提供腔反饋。任意波形發(fā)生器（Keysight M8195A，AWG）經(jīng)過與微波信號源時(shí)鐘同步后可以產(chǎn)生速率與鎖模脈沖頻率相同的數(shù)字信號，產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼經(jīng)過放大后加載到腔外的調(diào)制器上，經(jīng)過調(diào)制的脈沖信號眼圖可由寬帶光示波器（Agilent 86100C）獲得。輸出的鎖模脈沖光譜由光譜分析儀（YOKOGAWA，YQ6375）觀測，時(shí)域波形圖及頻譜信號經(jīng)過帶寬為12 GHz的2μm 光電探測器后，分別由帶寬2.5 GHz的示波器（Agilent，DSO 9254A）和帶寬為3 GHz的頻譜儀（Agilent，N1996A）觀測獲得。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

主動鎖模可以通過將驅(qū)動信號調(diào)制頻率設(shè)置為諧振腔基頻的整數(shù)倍，同時(shí)調(diào)諧腔內(nèi)激光偏振態(tài)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中諧振腔總長度為13.25 m，對應(yīng)的基頻為15.3 MHz。起初，將泵浦功率設(shè)置為700 mW，MZM1 射頻驅(qū)動信號的頻率設(shè)置為15.3 MHz，調(diào)制信號電壓設(shè)置為2 V。偏置電壓設(shè)置為其中Vπ是調(diào)制器的半波電壓，調(diào)諧腔內(nèi)PC可獲得穩(wěn)定基頻模式下的鎖模脈沖，如圖2所示。

圖2 基頻下的單波長鎖模脈沖特性Fig.2 Characteristic of single-wavelength mode-locked pulse at fundamental frequency

圖2（a）為摻銩主動鎖模脈沖光譜，中心波長為1 932.9 nm，邊摸抑制比大于45.2 dB，3 dB 帶寬為0.08 nm。受到Lyot 濾波器雙折射效應(yīng)的影響，鎖模脈沖的光譜被周期調(diào)制，在光譜上可以觀察到明顯的邊帶。PD-ISO 產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)過保偏光纖時(shí)會產(chǎn)生一對正交的偏振分量，2個(gè)分量經(jīng)過快慢軸傳輸后會產(chǎn)生一定的相位延遲，從而在PC2處形成一個(gè)與波長相關(guān)的強(qiáng)度調(diào)制周期。調(diào)制周期可以通過來表示，其中λ為激光的中心波長，L為保偏光纖的長度，Δn是保偏光纖2個(gè)正交軸的折射率差。因此，Lyot 濾波器也可看作是一個(gè)波長、濾波深度和調(diào)制周期可調(diào)諧的梳狀濾波器。實(shí)驗(yàn)中，保偏光纖的長度為2 m，Δn被標(biāo)定為3.57×10?4[17]，根據(jù)測得的中心波長可以計(jì)算出調(diào)制周期為5.23 nm，這與圖2（a）光譜圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。圖2（b）為基頻下的鎖模脈沖序列，脈沖間隔為65.3 ns，脈沖寬度為4.28 ns，脈沖平均功率為24 mW，可以看出脈沖峰-峰值抖動較小。圖2（c）反映了對應(yīng)的頻譜圖，頻譜掃描范圍為25 MHz，分辨率為1 kHz，頻譜信噪比（SNR）為68.3 dB。為了衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)測量了120 min系統(tǒng)的SNR，如圖2（d）所示?；l鎖模脈沖的頻譜信噪比最高為68.48 dB，最低為67.42 dB，結(jié)合頻譜上無其他超模噪聲分量，可以表明腔內(nèi)噪聲被有效抑制，并且鎖模脈沖工作在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

為了提高泵浦功率，調(diào)節(jié)腔內(nèi)2個(gè)偏振控制器的狀態(tài)，改變Lyot的濾波深度和腔內(nèi)的損耗，同時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)制器的偏置電壓來控制腔內(nèi)鎖模脈沖的能量，通過這3個(gè)步驟可以輸出多波長鎖模脈沖，如圖3所示。當(dāng)泵浦功率增加到800 mW時(shí)，可以獲得2個(gè)波長信道的鎖模脈沖光譜，邊摸抑制比都高于45 dB，如圖3（a）所示。隨著泵浦功率增加到850 mW，900 mW和1 W，改變腔內(nèi)偏振態(tài)和調(diào)制器偏壓可以獲得3，4，5個(gè)波長信道的鎖模脈沖光譜，如圖3（b）～3（d）所示。其中，邊摸抑制比高于20 dB時(shí)被認(rèn)為是有效波長信道，輸出的鎖模脈沖平均功率分別為25.2 mW，26.8 mW 和28.9 mW。

圖3 2μm 多波長主動鎖模光譜Fig.3 Spectra of 2μm multi-wavelength mode-locking

m階諧波鎖模脈沖的重頻可表示為其中c為真空中光速，n為傳輸介質(zhì)折射率，L為諧振腔長度。當(dāng)驅(qū)動信號頻率為諧振腔基頻的整數(shù)倍時(shí)，增加泵浦功率可獲得高階諧波鎖模脈沖。增加驅(qū)動信號的調(diào)制頻率至260.1 MHz，獲得了17階諧波鎖模脈沖，如圖4（a）所示。脈沖間隔為3.85 ns，脈沖寬度為760 ps，對應(yīng)的頻譜如圖4（d）所示，頻域掃描范圍為350 MHz，分辨率為5 kHz，頻譜信噪比為61.6 dB，表明鎖模脈沖穩(wěn)定運(yùn)行。繼續(xù)增加驅(qū)動信號至673.2 MHz 和2.448 GHz，可獲得44階和160階諧波鎖模脈沖，如圖4（b）和4（c）所示。鎖模脈沖間隔分別下降到148.5 ps 和40.8 ps，對應(yīng)的頻譜如圖4（e）和4（f）所示。頻域掃描范圍分別為1 GHz 和3.5 GHz，分辨率為10 kHz，獲得的頻譜信噪比分別為58.7 dB 和54.3 dB。隨著鎖模脈沖重復(fù)頻率的增加，腔內(nèi)的超模噪聲影響了脈沖的穩(wěn)定性，導(dǎo)致脈沖峰-峰值抖動增加，信噪比降低。

圖4 不同重頻下的鎖模脈沖序列與對應(yīng)的頻譜Fig.4 Mode-locked pulse sequence and corresponding frequency spectrum at different repetition rates

實(shí)驗(yàn)獲得2μm 多波長鎖模脈沖具有較高的穩(wěn)定性，可作為高速激光通信載波源。然而，隨著輸出波長信道數(shù)的增加，諧振腔內(nèi)模式競爭更激烈，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求更高，此時(shí)系統(tǒng)易受環(huán)境噪聲的影響累積相位噪聲，從而導(dǎo)致失鎖。為了衡量鎖模光源的時(shí)間穩(wěn)定性，將射頻驅(qū)動信號的一部分作為任意波形發(fā)生器的時(shí)鐘參考信號，使用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生速率為2.448 Gb/s的數(shù)字信號，驅(qū)動腔外的MZM2 對輸出的鎖模脈沖調(diào)制加載數(shù)字信號。MZM2的偏置電壓同樣固定在數(shù)字信號的電壓設(shè)置為2 V，測得的鎖模脈沖調(diào)整眼圖如圖5所示。優(yōu)化前調(diào)制眼圖如圖5（a）所示，可以看出眼圖的光信噪比為8.06 dB，隨著時(shí)間的推移眼寬增加，占空比下降，表明信號具有一定的強(qiáng)度噪聲與相位噪聲。將腔內(nèi)PI-ISO 替換為PDISO，經(jīng)過PD-ISO的線偏振光直接由偏振相關(guān)的MZM 調(diào)制，產(chǎn)生的鎖模脈沖光信噪比更高，相位噪聲更低，獲得的調(diào)制眼圖如圖5（b）所示。光信噪比增加為16.73 dB，眼高增加表明系統(tǒng)噪聲容限增加，接收靈敏度增加。

圖5 鎖模脈沖優(yōu)化前后調(diào)制眼圖對比Fig.5 Comparison of modulated eye diagrams before and after mode-locked pulse optimization

3 結(jié)論

報(bào)道了一種多波長高穩(wěn)定性的2μm主動鎖模光纖激光器，通過在腔內(nèi)加入Lyot 濾波器使得基頻鎖模狀態(tài)下頻譜信噪比可達(dá)68.48 dB，表明腔內(nèi)超模噪聲被有效抑制。實(shí)驗(yàn)獲得了最高5個(gè)波長信道的鎖模脈沖輸出，鎖模脈沖重頻最高可達(dá)2.448 GHz，經(jīng)過時(shí)鐘同步后加載速率為2.448 Gb/s的數(shù)字信號獲得了調(diào)制眼圖。通過在腔內(nèi)添加PD-ISO 提高M(jìn)ZM 對腔內(nèi)激光的調(diào)制深度，脈沖光信噪比提高了8.67 dB，同時(shí)鎖模脈沖相位噪聲減小，系統(tǒng)的噪聲容限明顯增加。