基于非線性光纖環(huán)形鏡被動鎖模摻鉺光纖激光器

張朝陽，陸寶樂，陳浩偉，王凱歌，白晉濤

（1 西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所，省部共建西部能源光子技術(shù)國家重點實驗室，西安710069）

（2 國家級光電技術(shù)與納米功能材料國際聯(lián)合研究中心，西安710069）

（3 陜西省全固態(tài)激光及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，陜西省光電子技術(shù)重點實驗室，西安710069）

0 引言

脈沖光纖激光器［1-4］自誕生以來就因其所特有的峰值功率高、脈沖寬度窄、信噪比高和散熱性好等優(yōu)異性能快速得到了廣大科研學(xué)者的青睞，其產(chǎn)生的脈沖孤子在長距離傳輸過程中能夠保持光譜和時間輪廓不變，因此孤子激光器一時間成為了研究熱門領(lǐng)域［5-10］。被動鎖模技術(shù)利用非線性元件對光強的依賴性來實現(xiàn)各縱模相位鎖定，從而產(chǎn)生脈沖激光?？娠柡臀阵w是被動鎖模光纖激光器的關(guān)鍵元件，其特性亦是開發(fā)高性能激光器的核心，且其擁有著成本低、操作簡單和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。其中可飽和吸收體［10-13］（Saturable Absorber，SA）分為真實可飽和吸收體（Semiconductor Saturable Absorber Mirror，SESAM）、石墨烯（Graphene）、碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）、黑磷（BP）以及二維材料（2D Materials）［14-18］等和等效可飽和吸收體非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）、非線性放大環(huán)形鏡（Nonlinear Amplifier Loop Mirror，NALM）以及非線性光纖環(huán)形鏡（Nonlinear Optical Loop Mirror，NOLM）［19-23］。相對于真實可飽和吸收體易受環(huán)境影響、閾值低等性質(zhì)的局限性，后者主要通過光偏振干涉引起的濾波或快速飽和吸收效應(yīng)實現(xiàn)鎖模，省去了制作材料時的的繁瑣工藝，同時降低了生產(chǎn)成本。等效可飽和吸收體被動鎖模激光器具有全光纖易于集成、成本較低、可調(diào)節(jié)性高、損傷閾值高等優(yōu)勢。同時基于各種非線性效應(yīng)和腔內(nèi)的凈色散結(jié)合作用，各種孤子的形成與演化也備受人們關(guān)注。其中，基于NOLM/NALM 技術(shù)的被動鎖模光纖激光器還可以在一定的波長范圍內(nèi)進行連續(xù)調(diào)諧，不同中心波長的鎖模光纖激光器具有不同的作用，不同中心波長的鎖模脈沖可以在材料加工中提供不同的聚焦深度或不同的材料吸收。近年來，C 波段波長可調(diào)鎖模光纖激光器引起了廣泛的關(guān)注，對于可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器也涌現(xiàn)了大量的研究。

2008年，太原理工大學(xué)郭雄英教授課題組通過在非線性光纖鏡中加入可調(diào)諧濾波器得到了中心波長在1 548～1 570 nm 的連續(xù)可調(diào)脈沖輸出［24］。2011年，華中科技大學(xué)沃江海等通過在環(huán)形腔中引入光纖光柵作為濾波器的方法實現(xiàn)了穩(wěn)定的多波長輸出，在對光柵施加應(yīng)力后，實現(xiàn)了中心波長在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)諧［25］。2017年，西南大學(xué)夏光瓊課題組基于兩個弱諧振腔法布里-珀羅激光器，提出并實驗研究了一種獲取中心波長可調(diào)諧、混沌帶寬可控的混沌信號［26］。2018年，北京工業(yè)大學(xué)王璞教授團隊通過熱電冷卻儀調(diào)節(jié)光纖激光腔中高雙折射光纖的溫度，鎖模狀態(tài)下得到了中心波長1 952～1 967 nm 的調(diào)諧范圍［27］。但此類研究大都采用了特殊的光纖結(jié)構(gòu)、材料或者特殊器件，構(gòu)成的激光器成本較高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)使用，采用等效可飽和吸收體實現(xiàn)的被動鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、調(diào)諧便捷、穩(wěn)定性高，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

本文通過“8”字形腔全光纖結(jié)構(gòu)搭建了波長可調(diào)諧被動鎖模摻鉺光纖激光器，研究了基于非線性光纖環(huán)形鏡原理在負色散區(qū)域傳統(tǒng)孤子的特性。在鎖模過程中，非線性光纖環(huán)形鏡起到了可飽和吸收體的作用，穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)下，在調(diào)節(jié)泵浦功率時，單模光纖由于偏振控制器的應(yīng)力作用使得光纖的內(nèi)部不平衡壓力引入應(yīng)力雙折射，和PC-2 一起構(gòu)成了帶寬較小的濾波器，光譜發(fā)生藍移得到1.5 nm 的調(diào)諧范圍，整個調(diào)諧過程中表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性，當泵浦功率增加至360 mW 時，調(diào)節(jié)偏振控制器改變輸出光的偏振態(tài)，激光器會輸出松束縛態(tài)孤子。

1 實驗裝置及原理

圖1 為鎖模光纖激光器實驗裝置圖。整個激光諧振腔中，采用最大輸出功率為600 mW 的單模980 nm半導(dǎo)體激光器作為諧振腔的泵浦源（Laser Diode，LD），通過980/1 550 nm 波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）的980 端口連接進入諧振腔內(nèi)，泵浦光耦合進入左側(cè)的單向環(huán)中后逆時針傳輸，50 cm 長的摻鉺光纖（Erbium-doped Fiber Laser，EDF，LIEKKI Er110-4/125）作為增益介質(zhì)，通過增益光纖后進入隔離器（Isolator，ISO），此處采用偏振無關(guān)隔離器保證了激光在左側(cè)環(huán)中的逆時針單向傳輸。實驗中使用兩個偏振控制器（Polarization Controller，PC）來調(diào)節(jié)腔內(nèi)脈沖的偏振狀態(tài)、雙折射和損耗。兩個耦合比為30/70 的光纖耦合器（Optical Coupler，OC）中的OC-1 用來連接左側(cè)單向環(huán)形腔和右側(cè)的雙向傳輸Sagnac 環(huán)，利用耦合比不對稱的光纖耦合器和右側(cè)的單模光纖成功構(gòu)建了基于NOLM 鎖模原理的“8”字形諧振腔體，PC-2 用來調(diào)節(jié)雙向環(huán)中的偏振態(tài)和損耗。光纖耦合器OC-2 中30%端口用作激光能量輸出端，70%的端口連接在諧振腔內(nèi)維持諧振腔的正常運轉(zhuǎn)，其余部分用單模光纖連接，整個諧振腔的長度為9.29 m，右側(cè)雙向傳輸環(huán)的長度為1.5 m。EDF 和單模光纖的群速度色散分別為29.53 ps2/km 和-22.8 ps2/km，諧振腔總的凈色散為-0.186 ps2，整個激光諧振腔在負色散區(qū)域工作。實驗中分別使用光譜分析儀（OSA，Yokogawa，AQ6370C）、示波器（OSC，Agilent DSO9104A）、頻譜分析儀（Agilent Technologies，N9000A）、自相關(guān)儀（APE，PulseCheck-50）以及功率計（MAESTRO，Gentec-EO）實時監(jiān)測鎖模脈沖的波形、光譜、頻譜和輸出功率。

圖1 鎖模光纖激光器裝置Fig.1 Experimental setup of the mode-locked fiber laser

受激輻射光經(jīng)過PC-1 后再通過耦合器OC-1 進入右側(cè)的非線性環(huán)形鏡中，由于耦合器的分光比不同被分成沿相反方向傳輸、強度不同的兩束光，這兩束光在非線性光纖環(huán)形鏡中傳輸一周后，到達耦合器后進行了再次的相干疊加，這一過程中光束在非線性光纖環(huán)形鏡中不同的方向經(jīng)歷相同的路徑。非線性光纖環(huán)形鏡的透過率T表示為［28］

式中，當k等于1/2 時，透過率T為零，此時諧振腔右側(cè)的非線性光纖環(huán)形鏡相當于一個反射鏡并不能實現(xiàn)鎖模操作。本實驗中k等于3/7，表示OC-2 的分光比，利用耦合比不對稱的光纖耦合器，將進入雙向腔中的光分為強度不同、方向相反的兩部分，通過在右側(cè)的雙向腔內(nèi)傳輸累積不同的相移量，從而自幅度調(diào)制產(chǎn)生脈沖窄化效應(yīng)達到鎖模目的。γ是光纖的非線性系數(shù)，L表示非線性光纖環(huán)形鏡的長度，在實驗中長度約為1.5 m，另外實驗中在右側(cè)的雙向環(huán)加入另外一個PC-2 調(diào)節(jié)偏振態(tài)來引入一個相位差φ，此時的透過率T可以表示為

所以非線性光纖環(huán)形鏡是基于光在雙向環(huán)中傳播時由非線性效應(yīng)的非線性相移和通過調(diào)節(jié)PC 引起的相位差共同決定其輸出狀態(tài)。不同于雙波長同步脈沖［29］，在增加泵浦功率時，由于激光腔內(nèi)存在過大的非線性，孤子很難保持穩(wěn)定，因此由于峰值功率鉗位效應(yīng)，會出現(xiàn)脈沖分裂現(xiàn)象。觀察到多脈沖操作，如孤子束、諧波鎖模、類噪聲脈沖和束縛態(tài)。調(diào)節(jié)泵浦功率和腔內(nèi)偏振狀態(tài)可以操縱束縛孤子數(shù)量、時間間隔和相對相位差。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 泵浦功率為270 mW 時的傳統(tǒng)孤子鎖模脈沖輸出

實驗中，當泵浦功率增加至270 mW 時，緩慢調(diào)節(jié)偏振控制器獲得穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出。在其他條件不變的情況下，將泵浦功率從270 mW 調(diào)節(jié)至360 mW 時，鎖模脈沖仍在穩(wěn)定運行。泵浦功率為270 mW 時對應(yīng)的傳統(tǒng)孤子鎖模脈沖輸出特性如圖2所示，此時光纖激光器的輸出功率約為5.67 mW。鎖模脈沖的光譜如圖2（a），輸出鎖模脈沖的中心波長為1 555.7 nm，其光譜的3-dB 帶寬為4.2 nm。圖中可以觀察到鎖模脈沖的光譜兩側(cè)有凱利邊帶，正是傳統(tǒng)孤子的典型標志，所以鎖模脈沖為傳統(tǒng)孤子脈沖。圖2（b）是鎖模脈沖的脈沖序列圖，其中脈沖間隔為47.6 ns，符合激光在諧振腔內(nèi)的往返時間，插圖為1 μs 時間跨度內(nèi)的鎖模脈沖序列。鎖模脈沖的頻譜如圖2（c），其中基本頻率為21.01 MHz，信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）約為68 dB，進一步證實了輸出孤子脈沖的良好穩(wěn)定性，圖2（c）插圖為0～1 GHz 的寬帶頻譜。圖2（d）表示的是輸出脈沖的自相關(guān)曲線，通過雙曲正割擬合后得到的脈沖寬度為759 fs，時間帶寬積（Time Bandwidth Product，TBP）為0.397。

圖2 鎖模光纖激光器的輸出特性Fig.2 The output characteristics of mode-locked fiber laser

2.2 輸出脈沖的穩(wěn)定性測試

為了測試此激光器輸出脈沖的穩(wěn)定性，在實驗中每隔2 h采集一次光譜，如圖3（a）、圖3（b）是光譜中距離中心波長最近的左右兩個邊帶峰值隨時間的變化，可以看出隨著時間的變化其邊帶并未發(fā)生明顯移動，圖3（c）表示的是在此期間光纖激光器輸出功率隨時間的變化圖，采用點線式的構(gòu)圖方式更好地反應(yīng)出了激光器的穩(wěn)定性，對結(jié)果分析計算得出輸出功率在20多小時的過程中的波動僅為0.11 mW，說明此光纖激光器穩(wěn)定性優(yōu)良。

圖3 光譜隨時間的變化Fig.3 Spectra of mode-locked in different time

2.3 泵浦功率對鎖模輸出脈沖的影響

將泵浦功率調(diào)節(jié)至270 mW，通過緩慢調(diào)節(jié)兩個偏振控制器使其達到穩(wěn)定鎖模狀態(tài)，此時輸出脈沖光譜的中心波長為1 555.7 nm。在保持其他條件不變的情況下，只調(diào)節(jié)泵浦功率，可以觀察到鎖模光譜的中心波長也會隨之發(fā)生藍移，其光譜寬度和峰值功率并未發(fā)生變化，增加泵浦功率至360 mW 時，此時輸出脈沖的中心波長移動至1 554.2 nm，如圖4（a）。在緩慢增加泵浦功率的過程中，鎖模中心波長獲得了1.5 nm 的波長調(diào)諧范圍。此過程可重復(fù)，將泵浦功率從360 mW 降到270 mW 時，輸出脈沖的中心波長又會再次恢復(fù)原狀。本實驗中僅僅改變了泵浦功率，此時右側(cè)的單模光纖由于偏振控制器的應(yīng)力作用使得光纖的內(nèi)部不平衡壓力引入應(yīng)力雙折射，在諧振腔內(nèi)多次傳輸后整個激光器達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時單模光纖和偏振控制器相當于一個帶寬較窄的濾波器，光譜的中心波長存在藍移的現(xiàn)象，由于雙折射濾波效應(yīng)，從而導(dǎo)致了1.5 nm 的調(diào)諧范圍。隨著泵浦功率的進一步提升，當調(diào)節(jié)PC 改變光的偏振態(tài)時，激光器會產(chǎn)生束縛態(tài)孤子，如圖4（b）。束縛態(tài)孤子的產(chǎn)生是由于激光腔中存在過多的非線性時，脈沖很難保持穩(wěn)定，此時增加泵浦功率，輸出脈沖的峰值功率箝位效應(yīng)會產(chǎn)生脈沖分裂現(xiàn)象產(chǎn)生多脈沖現(xiàn)象，而束縛態(tài)孤子是多脈沖的一種典型形式，它是由非線性色散效應(yīng)引起的近距離孤子間的相互排斥和相互吸引所產(chǎn)生。取中心波長處拉開，如圖4（c），激光器會輸出松束縛態(tài)孤子，光譜的調(diào)制周期為0.467 nm。根據(jù)時域間距與光譜間距的關(guān)系，通過計算得出兩組脈沖輸出端輸出的脈沖間隔約為17.23 ps，此時束縛態(tài)脈沖在腔內(nèi)傳輸時脈沖間隔保持不變。通過自相關(guān)儀（APE，PulseCheck-50）在此時測得輸出脈沖的自相關(guān)圖如圖4（d），此時脈沖間隔為17.23 ps，與理論計算值相吻合，脈沖間隔明顯大于脈沖寬度的5 倍，因此得出此時光纖激光器產(chǎn)生了松束縛態(tài)孤子。

圖4 改變泵浦功率時的鎖模光譜Fig.4 Spectra of mode-locked in different pump powers

圖5 給出了摻鉺被動鎖模光纖激光器輸出功率和泵浦功率的關(guān)系。藍色點代表了對應(yīng)泵浦功率下的輸出功率，并對此進行線性擬合得到紅色線段，此激光器的鎖模閾值為270 mW，此時輸出的功率5.67 mW。在270 mW 到360 mW 時，整體的鎖模輸出功率隨泵浦功率的增加呈現(xiàn)線性增加，整體輸出功率的斜率為2.42%。激光諧振腔內(nèi)左側(cè)單向環(huán)中的隔離器對光的損耗、腔內(nèi)器件的插入損耗和光纖熔接處的損耗導(dǎo)致了較低的光光轉(zhuǎn)化效率。

圖5 輸出功率與泵浦功率的關(guān)系Fig.5 Output power versus pump power

3 結(jié)論

本文基于非線性光纖環(huán)形鏡原理搭建了“8”字形腔，實現(xiàn)了穩(wěn)定的傳統(tǒng)孤子輸出。當泵浦功率調(diào)節(jié)至270 mW 時，獲得了中心波長為1 555.1 nm、光譜半高全寬為4.2 nm、重復(fù)頻率為21.01 MHz、脈沖寬度為0.759 ps 的穩(wěn)定傳統(tǒng)孤子。68 dB 的信噪比證明了激光器在鎖模狀態(tài)下良好的穩(wěn)定性，并且可以長時間的保持輸出光譜的穩(wěn)定性。在只調(diào)節(jié)泵浦功率時，穩(wěn)定鎖模狀態(tài)下實現(xiàn)了中心波長為1 555.7 nm 處的波長調(diào)諧；當泵浦功率增加至360 mW 時，通過調(diào)節(jié)PC-2 出現(xiàn)了束縛態(tài)光孤子。該激光器簡單的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的穩(wěn)定性使其可以在光通訊中作為種子光源。