低閾值鎖模狀態(tài)可轉(zhuǎn)換的全保偏光纖激光器

袁 泉，王天樞，馬萬卓，林 鵬，紀(jì)?，摚?浩

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國家與地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

引言

在過去的幾十年中，被動(dòng)鎖模超快光纖激光器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、脈沖極窄、易調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在光纖傳感、光學(xué)頻率測(cè)量、材料加工、長(zhǎng)距離測(cè)距和自由空間光通信等領(lǐng)域[1-5]。然而早期的超快脈沖光源僅限應(yīng)用在如實(shí)驗(yàn)室等非常穩(wěn)定的環(huán)境，但是大量實(shí)際需求需要光源能夠在不穩(wěn)定甚至惡劣的條件下工作，如工廠、飛機(jī)、車間等。與普通光纖相比，保偏光纖具有更強(qiáng)的抵抗外界應(yīng)力特性，從而保持腔內(nèi)光脈沖的偏振狀態(tài)不變。因此，由全保偏光纖器件組成的諧振腔結(jié)構(gòu)可以在很大程度上屏蔽環(huán)境的干擾，例如振動(dòng)或溫度、濕度和氣壓的變化等。全保偏光纖激光器能夠?yàn)槎囝I(lǐng)域提供穩(wěn)定的脈沖光源，因此開展對(duì)全保偏光纖激光器的研究和優(yōu)化是具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。

全保偏光纖激光器可使用可飽和吸收體進(jìn)行鎖模，例如碳納米管[6]、石墨烯[7]和可飽和吸收鏡[8]。但是，可飽和吸收體材料通常具有局限性，它們的損傷閾值低，且化學(xué)性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生退化[9]。與飽和吸收體相比，非線性光學(xué)環(huán)形鏡（NOLM）和非線性放大環(huán)形鏡（NALM）鎖模結(jié)構(gòu)具有更高的損傷閾值和更短的響應(yīng)時(shí)間，因此，NOLM 和NALM 鎖模機(jī)制也引起了更多研究人員的關(guān)注[10-14]

本文提出了一種基于NALM 結(jié)構(gòu)的全保偏九字腔光纖激光器。由于相移器的使用，降低了諧振腔的鎖模閾值，在泵浦功率達(dá)到120 mW 時(shí)便能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)的孤子鎖模，所對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為614.6 fs，重復(fù)頻率為11.1 MHz。之后逐漸增大泵浦功率到470 mW，實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)位于1 530.2 nm的類噪聲脈沖輸出，調(diào)節(jié)泵浦功率后最大輸出功率為73.9 mW，對(duì)應(yīng)的單脈沖能量為6.66 nJ。最后將泵浦功率固定為600 mW，測(cè)量了激光器1 h 的穩(wěn)定性，證明該結(jié)構(gòu)具有高度穩(wěn)定性。整個(gè)保偏結(jié)構(gòu)具有低閾值、可自啟動(dòng)、鎖模模式可切換、輸出的鎖模脈沖能量高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1 相移器在NALM 結(jié)構(gòu)中降低鎖模閾值原理

實(shí)驗(yàn)中所使用的九字腔的工作原理如圖1所示。該結(jié)構(gòu)基于2×2 耦合器，分光比為α：（1-α）。假設(shè)入射光從端口1 進(jìn)入結(jié)構(gòu)，經(jīng)過耦合器會(huì)分成兩束相反方向的光，則逆時(shí)針方向?qū)?yīng)光的透射方向，順時(shí)針方向?qū)?yīng)光的反射方向。在我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中，透射方向?qū)?yīng)著輸出，反射方向的光在諧振腔內(nèi)經(jīng)過反射鏡反射會(huì)再次以入射光進(jìn)入雙向環(huán)路中。九字腔結(jié)構(gòu)的反射率與環(huán)中兩個(gè)相反方向的光的非線性相移差之間的關(guān)系可以表示為[15-16]

圖1 加入相移器后NALM 結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of NALM structure after adding phase shifter

式中：Ein和Eout1分別代表輸入光和輸出反射光的強(qiáng)度;ΔφNL=|Ein|2×2πn2L/λ 和Δφ0表示非線性相移差和線性相移;α為耦合器分束比；L是環(huán)路中光纖的長(zhǎng)度；n2是非線性克爾系數(shù)；λ是入射光的波長(zhǎng)；R是反射率。加入移相器實(shí)質(zhì)是在環(huán)路中加入一個(gè)線性相移Δφ0（Δφ0=-1/2π），然后該結(jié)構(gòu)中的反射率與非線性相移差之間的關(guān)系變?yōu)?/p>

九字腔結(jié)構(gòu)相當(dāng)于人工可飽和吸收體，當(dāng)脈沖的反射率達(dá)到最大值時(shí)，脈沖中心高能量部分被反射，而脈沖兩翼部分被透射從而實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的窄化作用，完成鎖模。保偏九字腔激光器中反射率與非線性相移差ΔφNL之間的關(guān)系可用（3）式進(jìn)行數(shù)值模擬，其中α為0.5，Δφ0為-1/2 π。如圖2所示，實(shí)線和虛線分別對(duì)應(yīng)未插入相移器和插入相移器后的關(guān)系曲線。當(dāng)非線性相移差（ΔφNL）為零時(shí)，它對(duì)應(yīng)于連續(xù)光的工作狀態(tài)，而較高的ΔφNL可以對(duì)應(yīng)于脈沖光的工作狀態(tài)。在未使用相移器時(shí)，為了達(dá)到反射率最大值，諧振腔需積累大量的非線性相移差，一般會(huì)通過增加腔長(zhǎng)和增大泵浦功率來實(shí)現(xiàn)，使得激光器具有很高的鎖模閾值。在實(shí)驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)里插入了-1/2 π 的線性相移，如圖2所示，相當(dāng)于使整個(gè)反射率曲線向右平移。因此，腔內(nèi)僅需積累所插入的線性相移量的非線性相移差就能達(dá)到反射率的最大值，從而實(shí)現(xiàn)鎖模閾值的降低。

圖2 反射率隨非線性相移差變化的仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of reflectivity changing with nonlinear phase shift difference

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與工作原理

低閾值、可實(shí)現(xiàn)鎖模狀態(tài)轉(zhuǎn)換的全保偏九字腔光纖激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)由一個(gè)環(huán)形腔和一個(gè)線性腔兩部分組成。采用980 nm 半導(dǎo)體激光器通過一個(gè)980 nm/1 550 nm 波分復(fù)用器（wavelength division multiplexer,WDM）耦合進(jìn)0.7 m 長(zhǎng)的保偏摻鉺增益光纖（polarizationmaintaining gain erbium-doped fiber,Liekki,Er80-4/125-HD-PM,PM-EDF），增益光纖的群速度色散為-29.3 ps/nm/km。環(huán)路中包含一段15 m 的保偏單模光纖和具有-1/2π 相位延遲的保偏反射型相移器。相移器的使用可減小鎖模所需要的非線性相移差，從而縮短腔體長(zhǎng)度。線形腔的尾端接入一個(gè)光纖型反射鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)路反射出的光脈沖的再次反射，作為輸入光進(jìn)入環(huán)路。環(huán)路與線性腔通過2×2 的3 dB 耦合器相連構(gòu)成九字腔從而實(shí)現(xiàn)鎖模，其中一個(gè)端口作為輸出端。

輸出的鎖模脈沖光譜通過分辨率為0.02 nm的光譜分析儀（OSA,Yokogawa AQ6375）進(jìn)行觀察。時(shí)域上的脈沖信號(hào)通過2.5 GHz 示波器（OSC,Agilent DSO9254A）與1.5 μm 的光電探測(cè)器組合來觀測(cè)。頻域上的脈沖信號(hào)通過頻譜分析儀（Agilent N1996A,FSA）觀測(cè)，其頻率探測(cè)范圍為100 kHz至3 GHz?？赏ㄟ^自相關(guān)儀（SHG FS Photonics Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)R-103XL）測(cè)量脈沖的自相關(guān)曲線。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中，泵浦功率增加至120 mW 時(shí)，達(dá)到鎖模閾值實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)鎖模。激光器輸出的鎖模脈沖的光譜如圖4（a）所示，光譜具有圍繞中心波長(zhǎng)對(duì)稱分布的Kelly 邊帶，表明該激光器工作在傳統(tǒng)孤子鎖模區(qū)域，其中心波長(zhǎng)為1 530 nm，3 dB 帶寬為5.2 nm。圖4（b）為脈沖序列圖，脈沖的周期為90.1 ns，與所用結(jié)構(gòu)的腔長(zhǎng)18 m 相對(duì)應(yīng)。圖4（c）顯示了孤子脈沖的自相關(guān)曲線，其半高全寬為614.6 fs，假設(shè)由雙曲正割形狀擬合，通過計(jì)算可得輸出脈沖的時(shí)間帶寬積為0.41，接近于變換極限0.315。圖4（d）為其頻譜圖，重復(fù)頻率為11.1 MHz，經(jīng)計(jì)算符合腔長(zhǎng)18 m 和脈沖間隔90.1 ns，表明鎖模處于基本鎖模狀態(tài)，信噪比為57 dB。從圖4（d）的插圖可以看出，頻率穩(wěn)定并且沒有調(diào)制，輸出的鎖模脈沖的平均功率為1.2 mW。

圖4 傳統(tǒng)孤子鎖模Fig.4 Conventional soliton mode-locking

在實(shí)現(xiàn)孤子鎖模后，逐漸增加泵浦功率，腔體中的脈沖變得越來越不穩(wěn)定。直到泵浦功率增加至470 mW 時(shí)獲得了類噪聲鎖模脈沖，如圖5所示。隨著泵浦功率的增加，腔內(nèi)的非線性也會(huì)迅速增大，非線性相移的過度積累會(huì)使每個(gè)短脈沖分裂成幾個(gè)脈沖；同時(shí)，許多短脈沖又聚集在一個(gè)長(zhǎng)包絡(luò)中[17]。研究顯示，類噪聲脈沖由許多具有高峰值功率的超短脈沖組成，所以隨著泵浦功率的增加，諧振腔內(nèi)的傳統(tǒng)孤子脈沖轉(zhuǎn)換為類噪聲脈沖。其光譜如圖5（a）所示，中心波長(zhǎng)為1 530.2 nm，3 dB 譜寬增加到17.1 nm。圖5（b）為脈沖序列圖，類噪聲包絡(luò)的持續(xù)時(shí)間為471 ps，脈沖間隔為90.1 ns。驗(yàn)證矩形脈沖的類型可以測(cè)量其自相關(guān)跡線，如圖5（c）所示，在寬基底上有一個(gè)相干峰，表明激光器工作在類噪聲鎖模狀態(tài)，通過高斯擬合，相干峰的半峰全寬約為307.4 fs。圖5（d）為類噪聲頻譜圖，其具有11.1 MHz 的重復(fù)頻率，信噪比為60.7 dB。圖5（d）的插圖為大范圍的射頻（RF）頻譜，在RF 頻譜圖中未發(fā)現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，這表明激光器工作在穩(wěn)定狀態(tài)，在此狀態(tài)下的輸出功率為63.2 mW，脈沖能量為5.69 nJ。當(dāng)泵浦功率從420 mW 增加到600 mW 時(shí)，輸出功率可由63.2 mW增加到73.9 mW，所對(duì)應(yīng)的脈沖能量由5.69 nJ 增加到6.66 nJ。

圖5 類噪聲鎖模Fig.5 Noise-like mode-locking

最后將泵浦功率固定為600 mW，并記錄1 h內(nèi)激光輸出功率和重復(fù)頻率的穩(wěn)定性，如圖6 和圖7所示。由于采用全保偏結(jié)構(gòu)，輸出光功率的峰峰值（PPV）波動(dòng)小于1.9%，重復(fù)頻率的峰峰值波動(dòng)小于1.6%，證明了激光諧振腔的高度穩(wěn)定性。

圖6 輸出功率1 h 穩(wěn)定性Fig.6 Stability of output power within 1 h

圖7 重復(fù)頻率1 h 穩(wěn)定性Fig.7 Stability of repetition rate within 1 h

4 結(jié)論

提出了一種具有低閾值、自啟動(dòng)的全保偏光纖激光器。由于結(jié)構(gòu)中相移器的使用降低了諧振腔的鎖模閾值，實(shí)現(xiàn)了從孤子鎖模到類噪聲脈沖的轉(zhuǎn)換。泵浦功率達(dá)到鎖模閾值120 mW 時(shí)，獲得了中心波長(zhǎng)為1 530 nm、3 dB 帶寬為5.2 nm 的孤子鎖模脈沖。在泵浦功率增加到470 mW 后，可獲得位于1 530.2 nm 的類噪聲脈沖，脈沖能量為5.69 nJ。最后記錄1 h 內(nèi)激光輸出功率和重復(fù)頻率的穩(wěn)定性，輸出光功率的峰峰值波動(dòng)小于1.9%，重復(fù)頻率的峰峰值波動(dòng)小于1.6%，證明了整個(gè)結(jié)構(gòu)具有高度穩(wěn)定性。該保偏光纖激光器具有閾值低、可自啟動(dòng)、鎖模模式可切換、輸出的鎖模脈沖能量高等優(yōu)點(diǎn)，在超連續(xù)譜的產(chǎn)生、材料加工和光纖傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。