諧波鎖模光纖激光器4鎖模光纖激光器的分類

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(shù)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(dòng)鎖模,一是被動(dòng)鎖模,還有混合鎖模光纖激光器。

主動(dòng)鎖模光纖激光器利用的鎖模方式一般是引入外界信號(hào)使激光器腔體內(nèi)的參量達(dá)到周期性變化。其特點(diǎn)是,在腔體內(nèi)加入調(diào)制器件或注入外部光脈沖,主動(dòng)調(diào)制腔內(nèi)光波以達(dá)到鎖模的目的。現(xiàn)在普遍研究的主動(dòng)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(jì)80年代中期,英國(guó)南安普頓大學(xué)的研究人員首創(chuàng)出第一臺(tái)主動(dòng)鎖模光纖激器。若不考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題,1996年,日本的Yoshida等人提出了能產(chǎn)生重復(fù)頻率高達(dá)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(zhǎng)輸出的注入型主動(dòng)鎖模激光器,可同時(shí)輸出10個(gè)波長(zhǎng)的脈沖,重復(fù)頻率為30GHz,脈寬7ps[i6]。同年的OFC會(huì)議上,此小組又一次報(bào)道了他們研制的性能提高后的注入型激光器,重復(fù)頻率提高到40GHz,調(diào)諧范圍為20mn。

用主動(dòng)鎖模光纖激光器產(chǎn)生的鎖模脈沖形狀對(duì)稱且重復(fù)速率高,其中心波長(zhǎng)可調(diào)諧,也比較容易實(shí)現(xiàn)高階諧波鎖模,而且能夠直接產(chǎn)生無(wú)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(dòng)鎖模光纖激光器由于調(diào)制頻率的限制,對(duì)脈沖重復(fù)頻率的提高影響較大;另外,鎖模脈沖和其峰值功率對(duì)外界環(huán)境要求較高,外界的干擾常常會(huì)導(dǎo)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(zhǎng)浮動(dòng)以及超模噪聲等因素都會(huì)對(duì)激光器輸出的光脈沖產(chǎn)生影響有時(shí)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(gè)非光纖元器件,也使得激光器不能進(jìn)行全光纖集成。

被動(dòng)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(zhuǎn)(NPR, Nonlinear Polarization Rotation)等方法來(lái)產(chǎn)生鎖模脈沖的。

可飽和吸收效應(yīng)早在20世紀(jì)70年代就被應(yīng)用于被動(dòng)鎖模。主要是利用光脈沖在通過(guò)吸收體時(shí),其邊緣部分的損耗會(huì)大于中央部分,光脈沖被不斷窄化的原理來(lái)形成鎖模。利用的可飽和吸收材料通常是半導(dǎo)體吸收介質(zhì)(如InGaAsP等),所以這種結(jié)構(gòu)并不是全光纖結(jié)構(gòu)。利用可飽和吸收產(chǎn)生的光脈沖脈寬一般為ps級(jí)或fs級(jí),容易實(shí)現(xiàn)光脈沖的自啟動(dòng),能夠使重復(fù)頻率達(dá)到較穩(wěn)定的狀態(tài)。非線性光纖環(huán)形鏡進(jìn)行被動(dòng)鎖模,利用的是在腔內(nèi)進(jìn)行的非線性效應(yīng)的作用產(chǎn)生的光脈沖在親合器處分開(kāi),形成相反方向傳輸且幅值相同的兩個(gè)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(duì)稱,兩部分分別產(chǎn)生的相移量不同,兩部分同時(shí)再次進(jìn)入到耦合器時(shí),相干疊加后就會(huì)出現(xiàn)自幅度調(diào)制的脈沖窄化。在功能上,這種效應(yīng)與可飽和吸收體相似,有時(shí)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(jié)構(gòu)。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(xué)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(dòng)或被動(dòng)方式鎖模的激光器,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)、元件等因素都有其相應(yīng)的缺點(diǎn)和難以解決的問(wèn)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(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖模,以得到窄脈寬,高重復(fù)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(jié)構(gòu),通常是在"8"字型被動(dòng)鎖模結(jié)構(gòu)的其中一臂上加入主動(dòng)鎖模調(diào)制器件。

主被動(dòng)混合的鎖模光纖激光器可以結(jié)合兩種鎖模激光器的優(yōu)點(diǎn),但不可避免的也遺留了一些缺點(diǎn),如因引入主動(dòng)鎖模,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)全光纖集成等,這些問(wèn)題還需要進(jìn)一步的研究完善。

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

在主動(dòng)鎖模光纖激光器中,激光器的重復(fù)頻率由外加電脈沖的重復(fù)頻率決定,并且目前的射頻信號(hào)和調(diào)制器都可以實(shí)現(xiàn)大于lOGHz的調(diào)制頻率,因此,主動(dòng)鎖模光纖激光器比較容易實(shí)現(xiàn)大于lOGHz的諧波鎖模脈沖光并且己經(jīng)在光通信領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)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(yīng)(peak-power-limitingeffect)解釋了被動(dòng)鎖模光纖激光器中的多脈沖形成機(jī)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(dǎo)致的脈沖展寬,脈沖就將展寬分裂為多個(gè)脈沖。如果多脈沖在色散、濾波器和非線性效應(yīng)的作用保持穩(wěn)定,激光器就能實(shí)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(shí)間間隔也維持為脈沖腔內(nèi)往返時(shí)間的整數(shù)分之一就能形成被動(dòng)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(bào)道的被動(dòng)諧波鎖模摻輯光纖激光器的諧波階數(shù)達(dá)到了 634階,重復(fù)頻率達(dá)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(dòng)諧波鎖模摻鐿光纖激光器比較難以實(shí)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?yàn)楹纳⒐伦釉诠伦又心芰克阶罡?所以實(shí)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(zhǎng)濾波器和NPR鎖模方式,首次在全正色散腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 3階諧波鎖模,重復(fù)頻率達(dá)到125.39 MHz，長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)增長(zhǎng),并采用全光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 14階諧波鎖模,重復(fù)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(gè)優(yōu)點(diǎn),石墨稀在被動(dòng)諧波鎖模光纖激光器中越來(lái)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(shí)現(xiàn)了 30階。這些技術(shù)的應(yīng)用,使得耗散孤子光纖激光器正逐漸向高重復(fù)頻率的方向發(fā)展。

主動(dòng)鎖模光纖激光器可以輸出高重復(fù)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(xué) 、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值. 利用有理數(shù)諧波鎖模技術(shù) ,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(dòng)鎖模光纖激光器的一個(gè)研究熱點(diǎn).

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(yàn):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(zhǎng)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(yīng)也能影響 HM LFL 的穩(wěn)定性. 所以在沒(méi)有有效控制措施的情況下, HM LFL 很難走出實(shí)驗(yàn)室. 目前針對(duì)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(fù)合腔結(jié)構(gòu)以及基于非線性光學(xué)環(huán)形鏡(NO LM)或非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)的加成脈沖限制(APL)等;控制腔長(zhǎng)變化對(duì)穩(wěn)定性的影響主要采用服機(jī)構(gòu)、再生鎖模(Regenerative mode-locking)技術(shù), 以及采用波長(zhǎng)鎖定器得到偏移誤差信號(hào)補(bǔ)償腔長(zhǎng)變化;減小偏振效應(yīng)的影響主要靠采用保偏系統(tǒng)和構(gòu)建 σ腔. 事實(shí)上在實(shí)際鎖模激光器中往往綜合采用以上控制措施來(lái)提高穩(wěn)定性.