基于石墨烯全光調(diào)制的主/被動調(diào)Q光纖激光器（特邀）

王天祺，李對對，劉貝貝，江曼，孫志培，任兆玉

（1 西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所，西安 710127）

（2 省部共建西部能源光子技術(shù)國家重點實驗室，西安 710127）

（3 阿爾托大學(xué)電子與納米工程系，芬蘭埃斯波FI-02150）

0 引言

調(diào)Q 作為一種將連續(xù)光轉(zhuǎn)換為脈沖光，從而獲得高脈沖能量和高峰值功率的技術(shù)［1］，廣泛應(yīng)用于材料加工、生物醫(yī)學(xué)、非線性頻率變換等領(lǐng)域［2-4］。調(diào)Q 脈沖主要依賴于腔內(nèi)Q 因子動力學(xué)，所以根據(jù)是否對腔內(nèi)Q 因子主動操縱分為被動調(diào)Q 和主動調(diào)Q。被動調(diào)Q 通常是在腔中采用不同的方法來實現(xiàn)可飽和吸收效應(yīng)從而充當(dāng)一個自操作調(diào)Q 器，如非線性偏振旋轉(zhuǎn)（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）［5］和真實可飽和吸收材料（Saturable Absorber，SA）［6-14］，而后者被認為更簡單有效。常用的可飽和吸收體包括化學(xué)染料、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡［7］、黑磷［8］、石墨烯（Graphene）［9，12］、碳納米管［10，11］、過渡金屬二硫化物［13］和其他二維材料［6，14］等。雖然被動調(diào)Q 激光器結(jié)構(gòu)簡單，但其輸出脈沖的重復(fù)頻率僅依賴于泵浦功率的大小，一般不能通過調(diào)整其他參數(shù)而改變［15］。此外，即使在調(diào)節(jié)泵浦功率大小的情況下也很難精確控制其重復(fù)頻率，且若想獲得較高的重復(fù)頻率而不斷增加泵浦功率則會導(dǎo)致材料的SA 性能退化甚至被擊穿。相比于被動調(diào)Q，主動調(diào)Q 可以利用外部驅(qū)動調(diào)節(jié)激光器的Q 因子，因此可以靈活地控制重復(fù)頻率的變化。更重要的是，在產(chǎn)生的脈沖和注入的信號之間可以很容易實現(xiàn)時間同步。傳統(tǒng)的主動調(diào)Q 激光器由電光調(diào)制器［16］或聲光調(diào)制器［17］調(diào)制，但是這些調(diào)制器因為其工作帶寬窄［18，19］而需要針對工作波長進行特殊設(shè)計，這限制了不同波長的光脈沖同步，獲得的脈沖寬度也不是非常穩(wěn)定［20］。為此，近幾年提出了石墨烯電光調(diào)制器獲得主動調(diào)Q［21］，然而這些主動調(diào)制器都打破了全光纖結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且具有成本較高、器件設(shè)計難度大、時間響應(yīng)較慢等缺點?；诖耍壳捌惹行枰环N在寬波長范圍使用的光調(diào)制器，并且可獲得脈沖頻率精確可調(diào)、具有全光纖結(jié)構(gòu)的激光器。

從石墨烯全光調(diào)制器［22，23］中受到啟發(fā)，當(dāng)調(diào)制光的光子能量（hω＞2Ef，Ef為石墨烯的費米能級）激發(fā)石墨烯中載流子，導(dǎo)致相應(yīng)能級帶間躍遷達到泡利阻塞，以調(diào)節(jié)激光腔內(nèi)Q 因子，從而調(diào)節(jié)激光器的輸出。另外，石墨烯不僅可以作為可飽和吸收體和非線性元件應(yīng)用于光纖激光器領(lǐng)域，它的光學(xué)寬帶響應(yīng)還可以使其廣泛應(yīng)用于光調(diào)制器等領(lǐng)域，且石墨烯易與光纖系統(tǒng)集成。REN Aibing 等［24］和LI Duidui 等［25］將覆蓋石墨烯薄膜的熔融拉錐光纖作為調(diào)制器，使用自搭的調(diào)Q 激光器為主動調(diào)制光，分別獲得重復(fù)頻率為30.32～101.29 kHz 和41.1～50.5 kHz 的輸出脈沖。然而，重復(fù)頻率變化范圍不同的脈沖依賴于全光調(diào)制器的調(diào)制深度，但到目前為止，還沒有相關(guān)文獻報道。

本文將不同透過率的石墨烯薄膜放置于光纖跳線頭中間作為全光纖調(diào)制器件，將該調(diào)制器熔接進諧振腔內(nèi)實現(xiàn)了穩(wěn)定的被動調(diào)Q 脈沖。同時引入主動調(diào)制結(jié)構(gòu)簡單的1 310 nm 激光經(jīng)過石墨烯調(diào)制器對摻鉺激光進行全光調(diào)制，獲得了全光纖主/被動調(diào)Q 激光輸出。該激光器不僅可以獲得窄脈寬和穩(wěn)定的脈沖輸出，還可以在不改變泵浦功率的情況下改變脈沖的重復(fù)頻率。這在非線性變頻、多色泵浦探測光譜等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用。此外，還研究了不同調(diào)制深度的石墨烯調(diào)制器對輸出脈沖重復(fù)頻率和脈寬變化范圍的影響，研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)制器的調(diào)制深度與脈沖重復(fù)頻率變化范圍成正比，與脈寬變化范圍成反比。這為調(diào)Q 激光器選取合適的石墨烯薄膜提供了參考。

1 材料制備與表征

混合勻膠制成的可飽和吸收膜具有制備方法簡單、質(zhì)量高、使用靈活，且易與光纖系統(tǒng)相結(jié)合等優(yōu)點。本實驗中，將聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）加入石墨烯溶液中以制備Graphene-PVA 可飽和吸收膜，制造過程如圖1。首先將2 mg 的石墨烯粉末（購自阿拉丁公司）溶于40 mL 的去離子水中，通過破碎機破碎攪拌后，加入2 g PVA，用磁力攪拌機加熱至75℃攪拌成膠狀溶液。待膠狀溶液冷卻后，將溶液均勻旋涂于培養(yǎng)皿或載玻片表面，之后通過勻膠機開始離心甩膠。甩膠結(jié)束后，待其自然風(fēng)干，此時便可制得石墨烯薄膜。通過圖1 中制得薄膜的顏色看出，薄膜不是完全均勻的。這是因為在離心甩膠過程中，培養(yǎng)皿中的離心慣性力不相等，使其在培養(yǎng)皿壁形成了堆疊，再者培養(yǎng)皿的底部高低也不均勻。本文選擇了顏色深度不同的三塊石墨烯薄膜，將其夾在跳線頭中間形成了石墨烯全光調(diào)制器件，如圖2 所示。

功率相關(guān)的非線性傳輸是評價飽和吸收體性能的關(guān)鍵參數(shù)。因此，使用圖2 所示的雙臂裝置分別檢測了三塊石墨烯薄膜（A、B、C）的可飽和吸收特性。將中心波長為1 040 nm 基于NPR 技術(shù)的皮秒鎖模脈沖激光器［23］（Nonlinear Polarization Rotation Fiber Laser，NPRFL）作為光源，其重復(fù)頻率和脈寬分別為28.8 MHz和11 ps。利用可變光衰減器（Variable Optical Attenuator，VOA）控制激光器的輸出光強，使光強便于調(diào)節(jié)。使用50∶50 的光耦合器（Optical Coupler，OC）將光分為光強相等的兩束光，一束經(jīng)過石墨烯薄膜后被功率計（Power Meter，PM1）檢測，另一束直接被PM2 檢測。通過計算它們的比值得到透過率。

三塊石墨烯薄膜的飽和吸收實驗結(jié)果分別對應(yīng)于圖3（a）～（c），使用SA 的典型非線性透射函數(shù)擬合實驗數(shù)據(jù)。此函數(shù)取決于入射光強度，透過率T與輸入光強I的關(guān)系為［26］

式中，αs是調(diào)制深度，Isat是飽和強度，αns是非飽和吸收?？梢钥闯?，藍色的實驗數(shù)據(jù)點與紅色的擬合曲線吻合較好。通過對實驗結(jié)果的擬合，發(fā)現(xiàn)石墨烯薄膜（A、B、C）的調(diào)制深度分別為33.5%、18.1%和8.7%，對應(yīng)的飽和強度分別為40、5.4、3.5 MW/cm2。可以看出顏色較深的石墨烯薄膜的調(diào)制深度和飽和強度更大。這是因為顏色較深的薄膜石墨烯含量較高，當(dāng)激光打入薄膜，石墨烯會吸收更多的光子去激發(fā)價帶中電子躍遷到導(dǎo)帶中，使其擁有更高調(diào)制深度的潛力（本文實驗也驗證了這點），但同時也意味著更高的插入損耗。因此，石墨烯含量更高的薄膜實現(xiàn)飽和需要更強的光。

2 實驗裝置

實驗中利用石墨烯薄膜作為全光調(diào)Q 器件，研究了調(diào)Q 激光器的輸出特性。主/被動調(diào)Q 光纖激光器的設(shè)置如圖4，由波長為1 310 nm 的主動調(diào)制光和波長為1 560 nm 的被動調(diào)Q 摻鉺環(huán)形腔光纖激光器（Erbium-Doped Fiber Laser，EDFL）組成。工作波長為1 310 nm 的調(diào)制裝置由1 310 nm 的激光二極管（Laser Diode，LD）（FPL1053S）、數(shù)字信號發(fā)生器（Digital Signal Generator，DSG）和鈮酸鋰（LiNbO3）電光調(diào)制器組成，其中1 310 nm 的連續(xù)光通過DSG 信號加載的LiNbO3調(diào)制器被調(diào)制為占空比為50%的激光，其頻率通過DSG 精確可調(diào)。LiNbO3電光調(diào)制器購于EOspace 公司，主要工作波段為O、C、L 波段，可調(diào)頻率最高為20 GHz，光損傷閾值為400 mW。1 560 nm 的激光腔采用90 cm 的摻鉺光纖（LIEKKI，Er110-4-125）作為增益介質(zhì)，由980 nm 的LD 通過波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）泵浦，使用偏振無關(guān)隔離器（Polarization-Independent Isolator，PI-ISO）保證激光的單向傳輸。偏振控制器（Polarization Controller，PC）來調(diào)節(jié)腔內(nèi)傳輸光的偏振狀態(tài)，通過仔細調(diào)節(jié)PC 可以使脈沖的穩(wěn)定性得到提高。調(diào)制光通過工作波長為1 310/1 550 nm 的WDM 耦合入環(huán)形腔內(nèi)，與腔內(nèi)的信號光共同作用于全光調(diào)Q 器件后，調(diào)制光被濾波器（Filter）濾除。腔內(nèi)1 560 nm 的信號光經(jīng)過30∶70 的OC 輸出后被光譜儀（Agilent，HP70951B）和示波器（Tektronix TDS2024）檢測，輸出功率通過功率計（Thorlabs PM100USB）測量。環(huán)形腔的總腔長為16.5 m。

實驗先將石墨烯薄膜A 作為可飽和吸收體置于腔內(nèi)。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)DSG 使用不同的電壓加載在LiNbO3電光調(diào)制器上時，激光腔的輸出脈寬是不同的。因此，為了探明獲得最窄脈沖時的電壓（即最佳電壓），將調(diào)制光的泵浦功率和重復(fù)頻率分別設(shè)置為60 mW 和18 kHz。當(dāng)EDFL 的泵浦功率增加到140 mW時，分別用1～8 V 的電壓加載在LiNbO3電光調(diào)制器上，測得的激光腔輸出信號如圖5。可以看出當(dāng)負載電壓為4 V 時，激光腔的輸出脈寬是最窄的，其對應(yīng)的脈沖強度也是最大的。因此，在之后的實驗中，LiNbO3電光調(diào)制器的負載電壓設(shè)置為4 V。

3 結(jié)果與討論

首先，本文研究了EDFL 被動調(diào)Q 的輸出性能。當(dāng)泵浦功率設(shè)置為140 mW 時，緩慢調(diào)整PC 獲得了穩(wěn)定的脈沖，如圖6（a），其脈沖間隔為53.4 μs，對應(yīng)重復(fù)頻率為18.7 kHz，脈沖寬度為10.3 μs。之后將調(diào)制光的泵浦功率、重復(fù)頻率和負載電壓分別設(shè)置為60 mW、18 kHz 和4 V，其輸出占空比為50%的激光序列如圖6（c）（頂部），將占空比設(shè)為50%也適用于調(diào)制光為方波或正弦波的情況。然后，將調(diào)制光通過WDM 耦合入EDFL形成一個主/被動調(diào)Q 裝置，通過調(diào)整PC 獲得了如圖6（b）所示的穩(wěn)定脈沖，其脈沖間隔為55.46 μs，對應(yīng)的重復(fù)頻率恰好為18 kHz，脈沖寬度為6.34 μs?？梢钥闯鲚敵雒}沖的重復(fù)頻率被調(diào)制光的重復(fù)頻率所控制，且相比被動調(diào)Q，脈寬明顯被壓窄。圖6（d）顯示了主/被動調(diào)Q 的光譜，調(diào)Q 激光的中心波長為1 564 nm，激光線寬和邊模抑制比分別為0.06 nm 和31 dB。光譜比較光滑，意味著無寄生連續(xù)波，調(diào)Q 更加穩(wěn)定有效［27］。

由于泡利阻塞，當(dāng)注入1 310 nm的調(diào)制光時，石墨烯開始吸收調(diào)制光，逐漸達到飽和，此時石墨烯對1 560 nm的光吸收減弱，1 560 nm 的光在激光腔內(nèi)由高損耗狀態(tài)變?yōu)榈蛽p耗狀態(tài)，這種狀態(tài)隨著調(diào)制光的周期而改變，因此輸出脈沖的重復(fù)頻率隨著調(diào)制光的重復(fù)頻率而變化，如圖6（c）所示，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)Q 脈沖序列和調(diào)制光同步輸出。調(diào)制光的入射加速了石墨烯的漂白狀態(tài)，縮短了1 560 nm 脈沖的形成時間，因此與1 560 nm的被動調(diào)Q 激光器的輸出脈沖相比，主/被動調(diào)Q 激光器產(chǎn)生的脈沖寬度變窄［24］。

將泵浦功率固定在140 mW，通過DSG 將調(diào)制光的重復(fù)頻率從12 kHz 連續(xù)變化到32 kHz，獲得了穩(wěn)定的1 560 nm 的調(diào)Q 脈沖，其重復(fù)頻率隨調(diào)制光重復(fù)頻率的變化而變化，圖7 為激光輸出特性隨調(diào)制光重復(fù)頻率的變化曲線?？梢杂^察到輸出脈沖寬度隨著調(diào)制光重復(fù)頻率的增加先變窄再逐漸變寬，輸出脈沖能量隨重復(fù)頻率的增加而減小，對應(yīng)的峰值功率也同樣減小。這是由于脈沖周期的初始反轉(zhuǎn)率和能量存儲減少所致。泵浦功率為140 mW 時，激光器被動調(diào)Q 的重復(fù)頻率為18.7 kHz。當(dāng)調(diào)制頻率比較低時（低于被動調(diào)Q的重復(fù)頻率），每個開關(guān)周期存儲在增益光纖中的能量較多，因此釋放出較高脈沖能量的較長脈沖；隨著調(diào)制頻率增加到被動調(diào)Q 的本征重復(fù)頻率，激光器獲得最佳窄脈沖；隨著調(diào)制頻率的進一步增加，每個開關(guān)周期存儲在增益光纖中的能量減少，因此釋放出具有較低脈沖能量的較長脈沖［21］。還可以看出，在泵浦功率固定的情況下，平均輸出功率隨重復(fù)頻率的變化不明顯。

之后測量了在不同的泵浦功率下，輸出脈沖的重復(fù)頻率和脈沖寬度的可調(diào)諧范圍，如圖8。圖8（a）顯示了輸出脈沖重復(fù)頻率隨著泵浦功率的變化，其中藍色的點為最大可調(diào)諧值，紅色的點為最小可調(diào)諧值，黑色的點表明了在沒有調(diào)制光參與時，EDFL 被動調(diào)Q 時脈沖的重復(fù)頻率的變化?？梢钥闯觯S著泵浦功率的增加，被動調(diào)Q 的重復(fù)頻率從18.7 kHz 增加到47.17 kHz，其對應(yīng)的脈沖寬度從10.3 μs 減小到5.32 μs，如圖8（b）。在圖中，輸出脈沖重復(fù)頻率的調(diào)諧范圍隨著泵浦功率的增大而增大，而脈沖寬度的調(diào)諧范圍隨著泵浦功率的增大而減小。

在泵浦功率較低時，被動調(diào)Q 脈沖寬度下降速度快，很可能是因為電子在高能級的快速積累。然而，當(dāng)泵浦功率較高時，由于石墨烯可飽和吸收體趨于飽和，電子累積速度減慢，導(dǎo)致脈沖寬度變化趨于平穩(wěn)。同樣，隨著泵浦功率的增大，更多的能量將與石墨烯相互作用，從而導(dǎo)致石墨烯更高的調(diào)制深度，響應(yīng)速度也更高［9］。由此可見，隨著泵浦功率的增加，重復(fù)頻率的響應(yīng)范圍增大，而脈沖寬度因其越平穩(wěn)而調(diào)諧范圍越小。

實驗又分別使用石墨烯薄膜B 和C 置換薄膜A，也可以獲得如圖6 和圖7 的可調(diào)諧性質(zhì)。圖9 顯示了三塊石墨烯薄膜分別在不同的泵浦功率下，輸出脈沖的重復(fù)頻率和脈沖寬度的可調(diào)諧范圍。從中可以明顯看出，石墨烯薄膜B 和C 的調(diào)諧性質(zhì)與A 的相似，都是隨著泵浦功率的增加，其頻率的可調(diào)諧范圍逐漸增大，而脈寬的可調(diào)諧范圍逐漸減小。當(dāng)泵浦功率為120 mW 時，薄膜C 的頻率調(diào)諧范圍為46.8 kHz，而薄膜B 的頻率調(diào)諧范圍為33.9 kHz。這是因為薄膜B 的飽和強度比較大，此時的光強還不足以使其達到飽和，而薄膜C的飽和強度比較小，此時的光強足以使其達到飽和，從而調(diào)制深度更大。在圖9（b）中可以看出在泵浦功率為120 mW 時，薄膜C 的脈寬調(diào)諧范圍很小，進一步證明了薄膜C 已經(jīng)飽和。同理，在泵浦功率小于200 mW 時，因為薄膜A 的飽和強度大于薄膜B，薄膜B 更快達到飽和，此時薄膜B 的頻率調(diào)諧能力大于薄膜A。飽和強度越大的薄膜擁有越大的調(diào)諧潛力，當(dāng)泵浦功率大于200 mW 時，薄膜A 漸趨于飽和，其調(diào)制深度相比薄膜B更大，因此可以獲得更大的調(diào)諧范圍。圖9 中的黃色曲線表示使用不同石墨烯的被動調(diào)制獲得的頻率和脈寬，其明顯符合被動調(diào)Q 的特征。

在實驗過程中，EDFL 調(diào)Q 激光器的重復(fù)頻率始終等于調(diào)制光的重復(fù)頻率，改變調(diào)制光的占空比也不會影響輸出脈沖的重復(fù)頻率，但當(dāng)占空比過?。?0%～15%）或過大（80%～85%）時，激光輸出脈沖會變的不穩(wěn)定，甚至無法工作。當(dāng)關(guān)閉1 310 nm 的泵浦光源時，EDFL 激光器立即恢復(fù)為被動調(diào)Q 狀態(tài)，證明了1 560 nm的可調(diào)諧調(diào)Q 脈沖是由1 310 nm 光調(diào)制產(chǎn)生的。在EDFL 激光器泵浦功率不變的情況下，即使仔細調(diào)整PC 也無法調(diào)諧其輸出脈沖。這表明1 310 nm 激光調(diào)制了腔的Q 因子，有助于調(diào)諧1 560 nm 激光脈沖。使用這種方式，不僅可以獲得1 560 nm 的穩(wěn)定窄脈寬脈沖序列，還可以在不改變泵浦功率的情況下，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)輸出脈沖重復(fù)頻率和脈沖寬度的調(diào)諧操作。

4 結(jié)論

本文研究了一種基于石墨烯全光調(diào)制器的主/被動調(diào)Q 光纖激光器。石墨烯全光調(diào)制器具有全光纖結(jié)構(gòu)、全光調(diào)制、寬帶應(yīng)用等優(yōu)點，可以作為被動調(diào)Q 和主動調(diào)Q 共同作用器件，使激光器同時結(jié)合了被動調(diào)Q 和主動調(diào)Q 的優(yōu)勢。在不改變泵浦功率的情況下，實現(xiàn)了激光器輸出脈沖重復(fù)頻率隨調(diào)制光外加電場重復(fù)頻率的變化而對應(yīng)可調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯調(diào)制器的調(diào)制深度越大時，輸出脈沖的重復(fù)頻率變化范圍越大，其可調(diào)脈寬范圍越小，重頻變化的最大范圍為31.6～92.6 kHz。這種石墨烯全光調(diào)制器比傳統(tǒng)的調(diào)制器件更小且易于集成在光學(xué)系統(tǒng)中，對應(yīng)用條件的要求更低，在非線性變頻、多色泵浦探測光譜等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。同時，本文研究還為調(diào)Q 激光器選取合適的石墨烯薄膜提供了參考。