摻鉺單模光纖飛秒脈沖激光器和放大器

曹 順，郝 強，曾和平

（1．上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2．華東師范大學 精密光譜科學與技術國家重點實驗室，上海 200062）

引 言

處于人眼安全波段以及通訊窗口的1.5 μm波段超短脈沖激光器在太赫茲產(chǎn)生、光通信、生物光子學等領域有著重要的應用[1-4]。超短脈沖光纖激光器大多依賴于被動鎖模技術來搭建[5]，諸如非線性放大環(huán)形鏡（nonlinear amplification loop mirror, NALM）鎖模[6]、半導體可保和吸收鏡（semiconductor saturable absorber mirror, SESAM）鎖模[7]和非線性偏振旋轉（nonlinear polarization rotation, NPR）鎖模[8]。NALM具有可靠性高、背景噪聲低優(yōu)點，但其對非線性相位累積需求較高，致使鎖模閾值較高[9]。2018年，高婉麗等利用NALM鎖模獲得重復頻率257 MHz、脈沖寬度44.6 fs、輸出功率104 mW的超短脈沖[10]。NPR具有裝置簡單、易于搭建、鎖模自啟動等優(yōu)點，但NPR采用非保偏結構，工作狀態(tài)易受外界環(huán)境影響[11]。盡管已有基于保偏光纖NPR鎖模的報道，但溫度對光纖折射率的影響這一因素并未解決，仍然會影響鎖模[12-13]。2019年，馬挺等利用NPR鎖模獲得重復頻率100 MHz、脈沖寬度39 fs、輸出功率94.5 mW的超短脈沖[14]。SESAM鎖模技術具有閾值低、自啟動、結構簡單等優(yōu)點[15]，在實際應用中備受關注。2017年，陳炯等通過腔內(nèi)色散補償方法，采用透射式SESAM實現(xiàn)了重復頻率82.84 MHz、輸出功率10 mW、脈沖寬度381 fs的脈沖[16]。2016年，Yu等利用飽和吸收體鎖模經(jīng)過雙級放大以及后續(xù)壓縮結構得到了重復頻率200 MHz、輸出功率320 mW、脈沖寬度34 fs的超短脈沖[17-18]。

太赫茲（THz）作為21世紀最重要的新興學科之一，在人體安檢、無損檢測、醫(yī)學檢測等領域有著重要應用[19]。在THz時域光譜技術研究和應用上，超短脈沖激光激發(fā)光電導天線是較為常用的方案。光電導天線的激發(fā)功率通常為平均功率30 mW、脈沖寬度小于100 fs。因此，需要小型化、集成化、滿足THz時域光譜測試技術的摻鉺光纖激光器。本文搭建了基于全保偏光纖的摻鉺光纖鎖模振蕩器，并通過一級單模光纖放大器，獲得了重復頻率100 MHz、輸出功率30 mW、脈沖寬度80 fs的超短脈沖。放大器部分的實驗結果與理論模擬結果相符。此外，將1 550 nm飛秒脈沖在PPLN晶體中進行光學倍頻，進一步獲得了輸出功率5 mW、中心波長780 nm的飛秒脈沖。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，其中SESAM為半導體可飽和吸收鏡；WDM為波分復用器；CP/ISO為耦合器和隔離器的復合器件，Coupler 1的分光比為20∶80，Coupler 2的分光比為5∶95；ESF為負色散摻鉺單模光纖；LD1、LD2、LD3為激光二極管，中心波長為974 nm，最大輸出功率為400 mW；ISO為隔離器；Tap為監(jiān)測激光器鎖模端口；WDM/CP3為波分復用器和耦合器的復合器件，Coupler 3的分光比為50∶50；EDF為正色散摻鉺單模光纖；PM1550為保偏單模1 550 nm光纖；Output為激光器輸出端口；L1為鍍1 550 nm增透膜的聚焦透鏡，焦距為5 mm；PPLN為周期極化鈮酸鋰晶體，極化周期20.9 μm，厚度0.3 mm；L2為鍍780 nm增透膜的準直透鏡，焦距為5 mm。

圖1 光路實驗裝置圖Fig. 1 Schematic of the optical experimental setup

該全保偏SESAM被動鎖模光纖振蕩器的工作原理為：當脈沖經(jīng)過SESAM時，脈沖中心部分能量高，SESAM處于“漂白”狀態(tài)，透過率高，脈沖中心部分被反射回腔內(nèi)；相反，脈沖邊沿部分能量低，被SESAM吸收，實現(xiàn)脈沖窄化。經(jīng)過無數(shù)次循環(huán)后，最終形成穩(wěn)定鎖模脈沖。由976/1 560 nm WDM將974 nm的抽運光耦合進諧振腔的增益光纖ESF上，該ESF光纖的色散為-20.5 fs2/mm，纖芯直徑為7 μm、數(shù)值孔徑為0.15。通過分光比為20∶80的Coupler，將20%的能量作為種子脈沖輸出，種子脈沖經(jīng)過ISO后，進入摻鉺單模光纖放大器（EDFA）。放大器采用雙向泵浦放大技術，選用EDF作為放大器的增益介質，該EDF的色散為33 fs2/mm，纖芯直徑為5 μm、數(shù)值孔徑為0.27。之后，通過分光比為50∶50的Coupler將其分成兩路，分別經(jīng)過色散值為-22 fs2/mm的單模光纖（SMF）進行色散補償。其中，一路為Output1，輸出1 560 nm超短脈沖；另外一路為Output2，通過PPLN晶體倍頻輸出780 nm波長的超短脈沖。

2 結果與討論

2.1 振蕩器實驗結果

搭建重復頻率為100 MHz的鎖模光纖振蕩器，根據(jù)腔長計算公式f=c/nL，其中c為光速，n為光纖折射率，L為振蕩器腔長，計算出對應總腔長為2.05 m。增益光纖的長度對激光器的狀態(tài)和參數(shù)有較大的影響。當增益光纖過短時，造成振蕩器的增益不足，不容易達到振蕩器的鎖模閾值；當增益光纖過長時，會產(chǎn)生增益介質的自吸收，同樣難以實現(xiàn)鎖模。實驗中，發(fā)現(xiàn)當ESF長度為70 cm時，振蕩器較容易實現(xiàn)鎖模?？紤]到ESF和SMF的色散值分別為-20.5 fs2/mm和-22.0 fs2/mm，可得出腔內(nèi)凈色散為-0.044 ps2。泵浦功率小于鎖模閾值時，增益小于腔內(nèi)損耗，腔內(nèi)形成不穩(wěn)定的調Q脈沖；當泵浦功率達到100 mW鎖模閾值時，振蕩器可實現(xiàn)自啟動鎖模，輸出功率為4 mW。圖2（a）是通過示波器顯示的鎖模脈沖序列圖，可以看出振蕩器重復頻率約為100 MHz。當泵浦功率大于鎖模閾值時，增加泵浦功率將導致基頻脈沖分裂，形成多脈沖鎖模。新產(chǎn)生的脈沖在孤子引力作用下向中心移動，當腔內(nèi)孤子脈沖等間隔分布時，相互作用力停止，此時出現(xiàn)高次諧波鎖?，F(xiàn)象[20]。圖2（b）是由自相關儀測得振蕩器輸出脈沖的自相關曲線。當采用雙曲正割擬合時，脈沖寬度τ為1.27 ps。圖2（c）是用光譜儀測得的輸出光譜，中心波長為1 563 nm，半高全寬為11 nm。由于振蕩器為全負色散振蕩器，光譜兩邊出現(xiàn)了較為明顯的一階克利邊帶，是典型的孤子鎖模脈沖。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，種子脈沖的時間帶寬積為1.72，約為變換極限的5.5倍。

圖2 鎖模振蕩器輸出的脈沖序列、脈沖寬度和光譜Fig. 2 Pulse characters of mode-locked oscillator, pulse duration and spectrum

2.2 放大器數(shù)值模擬

超短脈沖在光纖中傳輸演化過程遵循非線性薛定諤方程[21]。

式中：A為脈沖包絡變化振幅；α為光纖的增益或損耗系數(shù)；γ為非線性系數(shù)；β2為二階群速度色散（GVD）；ω0為入射超短脈沖的中心頻率。為了實現(xiàn)輸出功率30 mW、脈沖寬度80 fs的參數(shù)指標，我們對脈沖在光纖中的傳輸過程進行了數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬超短脈沖在光纖中的傳輸過程時，需要設定傳輸光纖的主要參數(shù)，包括光纖的增益系數(shù)、非線性系數(shù)、光纖長度、二階色散值，以及入射超短脈沖的主要參數(shù)，包括脈沖寬度、單脈沖能量。本文主要模擬了脈沖放大和壓縮兩個過程，這兩個過程分別在兩段光纖中進行。第一個為脈沖在增益光纖中放大過程，光纖參數(shù)：α=4 dB/m、γ=4 W-1·km-1、光纖長度為2.9 m的正色散摻鉺增益光纖，β2=33 fs2/mm。輸入脈沖的脈沖寬度為1.27 ps、單脈沖能量為0.04 nJ。通過調節(jié)初始脈沖的群色散延遲，圖3（a）是脈沖經(jīng)增益光纖放大后的脈沖寬度，脈沖寬度為3.52 ps。圖3（d）是相應的輸出光譜，光譜的半高全寬為14.1 nm。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，時間帶寬積為6.11，約為變換極限的19.4倍，說明放大后的脈沖是可以被壓縮的。第二個為放大后的脈沖在單模光纖中的壓縮過程，光纖參數(shù)：α=-0.2 dB/km、γ=2 W-1km-1、長度為2.82 m的負色散單模光纖，β2=-22 fs2/mm。輸入脈沖的脈沖寬度為3.52 ps、單脈沖能量為0.6 nJ。圖3（b）是脈沖經(jīng)單模光纖壓縮后的輸出脈寬，脈沖寬度為83 fs。圖3（e）是相應的輸出光譜，光譜的3 dB帶寬為42.7 nm。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，時間帶寬積為0.437，約為變換極限的1.39倍。我們采用控制變量方法深入研究脈沖寬度隨單脈沖能量和光纖長度的變化關系，如圖3（c）所示，保持壓縮光纖長度不變，改變?nèi)肷涿}沖的單脈沖能量。當光纖長度不變時，壓縮系統(tǒng)中GVD總量不變，初始輸出脈沖經(jīng)增益放大后帶有正啁啾，隨著入射脈沖能量的增加，非線性效應增強，自相位調制（SPM）積累的頻率正啁啾逐漸增強，當其與系統(tǒng)的負GVD相抵消時，獲得最窄輸出脈沖。繼續(xù)增加入射脈沖的單脈沖能量，此時SPM積累的頻率正啁啾超過了壓縮系統(tǒng)的負GVD，導致輸出脈沖被展寬。僅改變單模光纖長度時，如圖3（f）所示，脈沖在SPM和GVD的共同作用下，呈現(xiàn)出先壓縮后展寬的狀態(tài)。在實際實驗過程中，可以通過調節(jié)泵浦功率改變?nèi)肷涿}沖的單脈沖能量，進而改變光纖非線性強度；通過調節(jié)單模光纖長度，改變GVD，當二者達到平衡時，可以獲得最窄輸出脈沖。

2.3 放大器實驗結果

為了驗證數(shù)值模擬結果，我們搭建了雙向泵浦的光纖放大器，如圖1所示。放大器選用2.9 m EDF作為增益光纖，通過調節(jié)泵浦功率的大小和改變SMF的長度，當前向和后向泵浦功率各為130 mW、SMF長度為2.82 m時，放大器輸出功率為32 mW，如圖4（c）所示，對實驗進行了14 h的功率穩(wěn)定性測試：1min內(nèi)功率抖動為0.6%；10min內(nèi)功率抖動為0.9%；14 h內(nèi)功率抖動為1%。圖4（a）是用自相關儀測到相應輸出脈沖的自相關曲線，當采用雙曲正割擬合時，脈沖寬度為85 fs。從脈沖自相關曲線中計算出，擬合后脈沖主峰能量占實際脈沖主峰能量的85.35%。圖4（b）是用光譜儀測得的相應輸出光譜，光譜的3 dB帶寬為38.3 nm、中心波長為1 560 nm。依據(jù)脈沖寬度和光譜寬度得知，時間帶寬積為0.401，約為變換極限的1.27倍，已經(jīng)接近變換極限。數(shù)值模擬超短脈沖傳輸時，忽略了三階色散效應對脈沖傳輸?shù)挠绊?。在實際操作過程中，由于選用光纖的非線性系數(shù)和模擬參數(shù)不同，加上光纖熔接損耗等因素的影響，導致實驗結果與數(shù)值模擬存在差異但大致吻合。

圖3 放大器數(shù)值模擬結果Fig. 3 amplifier numerical simulation results

將1 560 nm超短脈沖激光在PPLN晶體中進行光學倍頻，通過調節(jié)聚焦到PPLN晶體上的位置和PPLN晶體的倍頻通道，獲得最大倍頻功率為5 mW。圖5（a）是采用自相關儀測得的倍頻輸出脈沖的自相關曲線。當采用雙曲正割擬合時，脈沖寬度為100 fs。圖5（b）是用光譜儀測到相應的輸出光譜，可以看出中心波長為780 nm。

圖4 放大器輸出的脈沖寬度、光譜和功率穩(wěn)定性Fig. 4 Amplifier output pulse width, spectral and power stability

3 結 論

綜上，本文搭建了一種可應用于太赫茲產(chǎn)生的摻鉺光纖激光器，輸出波長1 560 nm、重復頻率100 MHz、平均功率30 mW、脈沖寬度85 fs。通過PPLN倍頻晶體對1 560 nm激光進行光學倍頻，獲得最大輸出功率5 mW、脈沖寬度100 fs、中心波長780 nm的飛秒脈沖輸出。

圖5 780 nm 輸出脈沖寬度圖和光譜Fig. 5 780 nm output pulse width and spectral