諧波鎖模光纖雷射器

若想重複頻率達到百兆赫茲,腔長需要控制在2 m以內,這將限制增益光纖的長度和輸出功率,可能還要採用空間光學元件,影響了雷射器的可移動性。而諧波鎖模光纖雷射器可以較容易的實現高重複頻率的脈衝光。

基本介紹

• 中文名：諧波鎖模光纖雷射器
• 外文名：harmonicmode-locked fiber laser

1 鎖模光纖雷射器的發展

最早提出利用光纖結構產生雷射製作放大器的思想,是在20世紀60年代初期,由Snitzer設計產生。Snitzer同Koester —起用摻釹光纖纏繞在閃光燈上的法,觀察到了波長在1.06nm增益為47dB的放大。但由於光纖製備技術不成熟等原因,對光纖雷射器及鎖模等方向的研究都十分有限,發展緩慢。70-80年代中期,光纖技術取得了長足的發展,在低損光纖、摻釹光纖以及光纖的製作技藝等方面的研究和套用都為光纖雷射器的發展產生了巨大的影響。特別是鎖模光纖雷射器產生的超短脈衝,在超高速大容量長距離的光纖通信領域中有著十分廣闊的套用前景。各國科學家對鎖模的研究也開始產生出極大的熱情。進入90年代,EDFA開始進入市場,對於光調製器的改善也使其性能不斷提高。主動鎖模摻銀光纖雷射器的研究發展迅速,其優勢也就逐漸顯露出來。Ferman和Hofer等人在九十年代初期分別用不同的增益介質——摻錢光纖放大器和摻輯光纖放大器,各自研製出了可用的光纖雷射器。Hrvey和AT&T實驗室的研究人員,於1992年利用摻輯光纖作增益介質實現了主動鎖模光纖雷射器的運轉,並成功開展了關於光孤子傳輸的實驗。日本NTT在1995年利用全保偏光纖做成環行器實現了主動鎖模,獲得了穩定輸出的6.3GHz脈衝序列,並將其套用於OTDM通信系統。近年來,為達到產生高性能、高能量、穩定性好的超短光源的目的,對鎖模光纖雷射器的結構性能進行最佳化改進的研究層出不窮,圍繞鎖模光纖雷射器的理論和實驗進行了大量的研究工作。2007年,日本的Yoshida等人,研究出一種鎖定模式穩定不跳變形式的主動鎖模光纖雷射器,重複頻率為40GHz,脈寬3ps,並且使得頻率在IGHz範圍內可調,中心波長在1535到1560mn內可調。2010年,韓國研究人員用在空心光纖中灌入SWCNT溶液的方法,成功研製出基於SWCNT的全光纖飛秒鎖模雷射器,實現了全光纖結構。

國內在這一方向上的研究開始於80年代末期,以高等院校以及郵電部和電子部所屬的一些研究單位為代表的科研團體,分別對光纖雷射器等相關方面展開了一系列的理論和實驗研究,在很多方面都得到了一定的進展。2002年,天津大學光纖通信實驗室於晉龍等,利用lOGHz半導體雷射器作為光源,得到波長可調,重複頻率20GHz的光脈衝,波長調諧範圍為16mn。2011年,北京工業大學雷射工程研究院的於峰等人,利用非線性偏振旋轉效應構建全光纖結構超短脈衝光纖放大器,獲得了穩定的自啟動鎖模脈衝。然而,與國外的研究相比,我國在提高被動鎖模重複頻率、控制系統工作穩定性等相關方面的研究還有一定的差距,實用化方面所做的工作也遠遠不足,因此進行進一步的研究是十分有必要的.

2 概述

主動鎖模光纖雷射器可以輸出高重複頻率的近變換極限超短脈衝 ,在高速光纖通信系統 、感測 、光譜學 、醫學等領域有著重要的套用價值. 利用有理數諧波鎖模技術 ,可以突破調製器頻寬的限制而產生更高頻率的超短脈衝, 成為主動鎖模光纖雷射器的一個研究熱點.

諧波鎖模光纖雷射器(HM LFL)的輸出脈衝質量很理想 ,但面臨穩定性的考驗:一方面諧波鎖模固有的超模噪音引起短期不穩定性 ;另一方面溫度的變化引起腔長變化 ,使得調製頻率和腔本徵諧波頻率(腔基頻的整數倍頻率)之間失配, 難以穩定工作.除此之外 ,光纖偏振模色散(PM D)等引起的偏振效應也能影響 HM LFL 的穩定性. 所以在沒有有效控制措施的情況下, HM LFL 很難走出實驗室. 目前針對這三種不穩定性, 提出了多種穩定性措施, 其中抑制超模噪音的方法主要包括腔內濾波法、複合腔結構以及基於非線性光學環形鏡(NO LM)或非線性偏振旋轉(NPR)的加成脈衝限制(APL)等;控制腔長變化對穩定性的影響主要採用服機構、再生鎖模(Regenerative mode-locking)技術, 以及採用波長鎖定器得到偏移誤差信號補償腔長變化;減小偏振效應的影響主要靠採用保偏系統和構建 σ腔. 事實上在實際鎖模雷射器中往往綜合採用以上控制措施來提高穩定性.

3 諧波鎖模光纖雷射器

光纖雷射器受限於自身腔長,基頻一般都小於100 MHz。若想重複頻率達到百兆赫茲,腔長需要控制在2 m以內,這將限制增益光纖的長度和輸出功率,可能還要採用空間光學元件,影響了雷射器的可移動性。而諧波鎖模光纖雷射器可以較容易的實現高重複頻率的脈衝光。

在主動鎖模光纖雷射器中,雷射器的重複頻率由外加電脈衝的重複頻率決定,並且目前的射頻信號和調製器都可以實現大於lOGHz的調製頻率,因此,主動鎖模光纖雷射器比較容易實現大於lOGHz的諧波鎖模脈衝光並且己經在光通信領域獲得廣泛的套用被鎖模光纖雷射器中也可以出現多脈衝現象。D. Y. Tang等人利用孤子峰值功率限制效應(peak-power-limitingeffect)解釋了被動鎖模光纖雷射器中的多脈衝形成機制。隨著泵浦功率的增加,孤子需要承受更大的非線性相移,一旦色散和濾波器不能有效限制非線性相移導致的脈衝展寬,脈衝就將展寬分裂為多個脈衝。如果多脈衝在色散、濾波器和非線性效應的作用保持穩定,雷射器就能實現多脈衝鎖模。如果多脈衝之間間隔較小並相互纏繞就可以形成束縛態,如果多脈衝之間時間間隔也維持為脈衝腔內往返時間的整數分之一就能形成被動諧波鎖模。

在反常色散區的傳統孤子由於能量較小,在高泉浦功率下很容易形成多脈衝諧波鎖模。目前己報導的被動諧波鎖模摻輯光纖雷射器的諧波階數達到了 634階,重複頻率達到10GHz[n9]。由於摻鐿光纖雷射器中的孤子能量高於摻輯光纖雷射器,所以在被動諧波鎖模摻鐿光纖雷射器比較難以實現。2004年,B. Orta等人將雙包層摻鐿光纖雷射器工作在色散管理孤子鎖模狀態,在正色散區獲得5階,反常色散區獲得20階諧波鎖模。正是因為耗散孤子在孤子中能量水平最高,所以實現耗散孤子諧波鎖模也最困難。D. Liu等人在2010年,利用多波長濾波器和NPR鎖模方式,首次在全正色散腔內實現了 3階諧波鎖模,重複頻率達到125.39 MHz，長周期光纖光柵(LPG)作為濾波器促使多脈衝的形成。

增加腔的長度可以降低雷射器的基頻,使得耗散孤子在較低的粟浦功率下實現高峰值功率,所以雷射器在相同的栗浦功率下獲得更高的諧波階數。該研究在隨後的研宄中將腔長增長,並採用全光纖結構實現了 14階諧波鎖模,重複頻率為35.497 MHz。作為自然可飽和吸收體的石墨稀材料具有很高的損耗閾值,在高粟浦功率下,不易損壞,正是由於這個優點,石墨稀在被動諧波鎖模光纖雷射器中越來越多被使用。目前,在全正色散腔條件下,基於石墨稀的諧波鎖模階數也己經實現了 30階。這些技術的套用,使得耗散孤子光纖雷射器正逐漸向高重複頻率的方向發展。

4 鎖模光纖雷射器的分類

隨著研究的不斷深入,鎖模光纖雷射器的種類也不斷豐富,所利用的鎖模技術也不盡相同。我們根據鎖模方式的不同可以將鎖模光纖雷射器大致分為三種-一是主動鎖模,一是被動鎖模,還有混合鎖模光纖雷射器。

主動鎖模光纖雷射器

主動鎖模光纖雷射器利用的鎖模方式一般是引入外界信號使雷射器腔體內的參量達到周期性變化。其特點是,在腔體內加入調製器件或注入外部光脈衝,主動調製腔內光波以達到鎖模的目的。現在普遍研究的主動鎖模光纖雷射器一般有典型的基於調製器的鎖模光纖雷射器、有理數諧波鎖模(RHML, Rational Harmonic Mode Lock)光纖雷射器以及注入型鎖模(Injection Mode Lock)光纖雷射器。

20世紀80年代中期,英國南安普頓大學的研究人員首創出第一台主動鎖模光纖激器。若不考慮系統的穩定性問題,1996年,日本的Yoshida等人提出了能產生重複頻率高達200GHz有理數諧波鎖模脈衝的雷射器。2000年,H.Avramopoulos的研究小組研究出能產生多波長輸出的注入型主動鎖模雷射器,可同時輸出10個波長的脈衝,重複頻率為30GHz,脈寬7ps[i6]。同年的OFC會議上,此小組又一次報導了他們研製的性能提高后的注入型雷射器,重複頻率提高到40GHz,調諧範圍為20mn。

用主動鎖模光纖雷射器產生的鎖模脈衝形狀對稱且重複速率高,其中心波長可調諧,也比較容易實現高階諧波鎖模,而且能夠直接產生無頻率啁嗽近似變換極限的光脈衝。然而,直接利用調製器的主動鎖模光纖雷射器由於調製頻率的限制,對脈衝重複頻率的提高影響較大;另外,鎖模脈衝和其峰值功率對外界環境要求較高,外界的干擾常常會導致輸出脈衝波形不穩定。雷射器腔體內偏振態起伏、腔長浮動以及超模噪聲等因素都會對雷射器輸出的光脈衝產生影響有時為了提高系統的穩定性,需要增加一些額外的措施。而且,調製器的使用在腔體內引入了附加損耗,而調製器本身是一個非光纖元器件,也使得雷射器不能進行全光纖集成。

被動鎖模光纖雷射器

被動鎖模光纖雷射器是利用飽和吸收體、非線性光纖環形鏡(NOLM, Nonlinear Optical Loop Mirror)> 光纖的非線性偏振旋轉(NPR, Nonlinear Polarization Rotation)等方法來產生鎖模脈衝的。

可飽和吸收效應早在20世紀70年代就被套用於被動鎖模。主要是利用光脈衝在通過吸收體時,其邊緣部分的損耗會大於中央部分,光脈衝被不斷窄化的原理來形成鎖模。利用的可飽和吸收材料通常是半導體吸收介質(如InGaAsP等),所以這種結構並不是全光纖結構。利用可飽和吸收產生的光脈衝脈寬一般為ps級或fs級,容易實現光脈衝的自啟動,能夠使重複頻率達到較穩定的狀態。非線性光纖環形鏡進行被動鎖模,利用的是在腔內進行的非線性效應的作用產生的光脈衝在親合器處分開,形成相反方向傳輸且幅值相同的兩個部分,由於自相位調製(SPM)和交叉相位調製(XPM)等作用,產生非線性相移。而由於EDFA放置不對稱,兩部分分別產生的相移量不同,兩部分同時再次進入到耦合器時,相干疊加後就會出現自幅度調製的脈衝窄化。在功能上,這種效應與可飽和吸收體相似,有時被並稱為加成脈衝鎖模(APM)。這種光纖雷射器一般採用“8”字型結構。根據獲得相向傳輸的兩束光的方法不同,還可以分為非線性光學環形鏡(NOLM)、非線性放大環形鏡(NALM)和色散非均衡環形鏡等。

主被動混合鎖模光纖雷射器

利用主動或被動方式鎖模的雷射器,因為結構、元件等因素都有其相應的缺點和難以解決的問題。所以,可以在同一雷射器腔體內綜合兩種以上的鎖模技術來實現鎖模,以得到窄脈寬,高重複頻率且輸出穩定的孤子脈衝序列。這種類型的雷射器一般採用“8”字形結構,通常是在“8”字型被動鎖模結構的其中一臂上加入主動鎖模調製器件。

主被動混合的鎖模光纖雷射器可以結合兩種鎖模雷射器的優點,但不可避免的也遺留了一些缺點,如因引入主動鎖模,系統結構難以實現全光纖集成等,這些問題還需要進一步的研究完善。