諧波鎖模光纖激光器

光纖激光器受限于自身腔長,基頻一般都小于100 MHz。若想重復頻率達到百兆赫茲,腔長需要控制在2 m以內(nèi),這將限制增益光纖的長度和輸出功率,可能還要采用空間光學元件,影響了激光器的可移動性。而諧波鎖模光纖激光器可以較容易的實現(xiàn)高重復頻率的脈沖光。

在主動鎖模光纖激光器中,激光器的重復頻率由外加電脈沖的重復頻率決定,并且目前的射頻信號和調(diào)制器都可以實現(xiàn)大于lOGHz的調(diào)制頻率,因此,主動鎖模光纖激光器比較容易實現(xiàn)大于lOGHz的諧波鎖模脈沖光并且己經(jīng)在光通信領域獲得廣泛的應用被鎖模光纖激光器中也可以出現(xiàn)多脈沖現(xiàn)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激光器中的多脈沖形成機制。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沖展寬,脈沖就將展寬分裂為多個脈沖。如果多脈沖在色散、濾波器和非線性效應的作用保持穩(wěn)定,激光器就能實現(xiàn)多脈沖鎖模。如果多脈沖之間間隔較小并相互纏繞就可以形成束縛態(tài),如果多脈沖之間時間間隔也維持為脈沖腔內(nèi)往返時間的整數(shù)分之一就能形成被動諧波鎖模。

在反常色散區(qū)的傳統(tǒng)孤子由于能量較小,在高泉浦功率下很容易形成多脈沖諧波鎖模。目前己報道的被動諧波鎖模摻輯光纖激光器的諧波階數(shù)達到了 634階,重復頻率達到10GHz[n9]。由于摻鐿光纖激光器中的孤子能量高于摻輯光纖激光器,所以在被動諧波鎖模摻鐿光纖激光器比較難以實現(xiàn)。2004年,B. Orta等人將雙包層摻鐿光纖激光器工作在色散管理孤子鎖模狀態(tài),在正色散區(qū)獲得5階,反常色散區(qū)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(xiàn)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(nèi)實現(xiàn)了 3階諧波鎖模,重復頻率達到125.39 MHz，長周期光纖光柵(LPG)作為濾波器促使多脈沖的形成。

增加腔的長度可以降低激光器的基頻,使得耗散孤子在較低的粟浦功率下實現(xiàn)高峰值功率,所以激光器在相同的栗浦功率下獲得更高的諧波階數(shù)。該研究在隨后的研宄中將腔長增長,并采用全光纖結構實現(xiàn)了 14階諧波鎖模,重復頻率為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,正是由于這個優(yōu)點,石墨稀在被動諧波鎖模光纖激光器中越來越多被使用。目前,在全正色散腔條件下,基于石墨稀的諧波鎖模階數(shù)也己經(jīng)實現(xiàn)了 30階。這些技術的應用,使得耗散孤子光纖激光器正逐漸向高重復頻率的方向發(fā)展。

隨著研究的不斷深入,鎖模光纖激光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(jù)鎖模方式的不同可以將鎖模光纖激光器大致分為三種-一是主動鎖模,一是被動鎖模,還有混合鎖模光纖激光器。

主動鎖模光纖激光器利用的鎖模方式一般是引入外界信號使激光器腔體內(nèi)的參量達到周期性變化。其特點是,在腔體內(nèi)加入調(diào)制器件或注入外部光脈沖,主動調(diào)制腔內(nèi)光波以達到鎖模的目的?，F(xiàn)在普遍研究的主動鎖模光纖激光器一般有典型的基于調(diào)制器的鎖模光纖激光器、有理數(shù)諧波鎖模(RHML, Rational Harmonic Mode Lock)光纖激光器以及注入型鎖模(Injection Mode Lock)光纖激光器。

20世紀80年代中期,英國南安普頓大學的研究人員首創(chuàng)出第一臺主動鎖模光纖激器。若不考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題,1996年,日本的Yoshida等人提出了能產(chǎn)生重復頻率高達200GHz有理數(shù)諧波鎖模脈沖的激光器。2000年,H.Avramopoulos的研究小組研究出能產(chǎn)生多波長輸出的注入型主動鎖模激光器,可同時輸出10個波長的脈沖,重復頻率為30GHz,脈寬7ps[i6]。同年的OFC會議上,此小組又一次報道了他們研制的性能提高后的注入型激光器,重復頻率提高到40GHz,調(diào)諧范圍為20mn。

用主動鎖模光纖激光器產(chǎn)生的鎖模脈沖形狀對稱且重復速率高,其中心波長可調(diào)諧,也比較容易實現(xiàn)高階諧波鎖模,而且能夠直接產(chǎn)生無頻率啁嗽近似變換極限的光脈沖。然而,直接利用調(diào)制器的主動鎖模光纖激光器由于調(diào)制頻率的限制,對脈沖重復頻率的提高影響較大;另外,鎖模脈沖和其峰值功率對外界環(huán)境要求較高,外界的干擾常常會導致輸出脈沖波形不穩(wěn)定。激光器腔體內(nèi)偏振態(tài)起伏、腔長浮動以及超模噪聲等因素都會對激光器輸出的光脈沖產(chǎn)生影響有時為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需要增加一些額外的措施。而且,調(diào)制器的使用在腔體內(nèi)引入了附加損耗,而調(diào)制器本身是一個非光纖元器件,也使得激光器不能進行全光纖集成。

被動鎖模光纖激光器是利用飽和吸收體、非線性光纖環(huán)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(chǎn)生鎖模脈沖的。

可飽和吸收效應早在20世紀70年代就被應用于被動鎖模。主要是利用光脈沖在通過吸收體時,其邊緣部分的損耗會大于中央部分,光脈沖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(zhì)(如InGaAsP等),所以這種結構并不是全光纖結構。利用可飽和吸收產(chǎn)生的光脈沖脈寬一般為ps級或fs級,容易實現(xiàn)光脈沖的自啟動,能夠使重復頻率達到較穩(wěn)定的狀態(tài)。非線性光纖環(huán)形鏡進行被動鎖模,利用的是在腔內(nèi)進行的非線性效應的作用產(chǎn)生的光脈沖在親合器處分開,形成相反方向傳輸且幅值相同的兩個部分,由于自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(XPM)等作用,產(chǎn)生非線性相移。而由于EDFA放置不對稱,兩部分分別產(chǎn)生的相移量不同,兩部分同時再次進入到耦合器時,相干疊加后就會出現(xiàn)自幅度調(diào)制的脈沖窄化。在功能上,這種效應與可飽和吸收體相似,有時被并稱為加成脈沖鎖模(APM)。這種光纖激光器一般采用"8"字型結構。根據(jù)獲得相向傳輸?shù)膬墒獾姆椒ú煌?還可以分為非線性光學環(huán)形鏡(NOLM)、非線性放大環(huán)形鏡(NALM)和色散非均衡環(huán)形鏡等。

利用主動或被動方式鎖模的激光器,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,可以在同一激光器腔體內(nèi)綜合兩種以上的鎖模技術來實現(xiàn)鎖模,以得到窄脈寬,高重復頻率且輸出穩(wěn)定的孤子脈沖序列。這種類型的激光器一般采用"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(diào)制器件。

主被動混合的鎖模光纖激光器可以結合兩種鎖模激光器的優(yōu)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(tǒng)結構難以實現(xiàn)全光纖集成等,這些問題還需要進一步的研究完善。

主動鎖模光纖激光器可以輸出高重復頻率的近變換極限超短脈沖 ,在高速光纖通信系統(tǒng) 、傳感 、光譜學 、醫(yī)學等領域有著重要的應用價值. 利用有理數(shù)諧波鎖模技術 ,可以突破調(diào)制器帶寬的限制而產(chǎn)生更高頻率的超短脈沖, 成為主動鎖模光纖激光器的一個研究熱點.

諧波鎖模光纖激光器(HM LFL)的輸出脈沖質(zhì)量很理想 ,但面臨穩(wěn)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(wěn)定性 ;另一方面溫度的變化引起腔長變化 ,使得調(diào)制頻率和腔本征諧波頻率(腔基頻的整數(shù)倍頻率)之間失配, 難以穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定性, 提出了多種穩(wěn)定性措施, 其中抑制超模噪音的方法主要包括腔內(nèi)濾波法、復合腔結構以及基于非線性光學環(huán)形鏡(NO LM)或非線性偏振旋轉(NPR)的加成脈沖限制(APL)等;控制腔長變化對穩(wěn)定性的影響主要采用服機構、再生鎖模(Regenerative mode-locking)技術, 以及采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采用保偏系統(tǒng)和構建 σ腔. 事實上在實際鎖模激光器中往往綜合采用以上控制措施來提高穩(wěn)定性.