自相似孤子光纖激光器

相對于其他固體激光器, 光纖激光器的優(yōu)點之一是腔形結構簡單, 體積緊湊。大量的研究表明:在光纖放大器具有正群速度色散(GVD)區(qū)域的增益光纖的增益帶寬以內, 采用增益參數(shù)縱向恒定分布、縱向指數(shù)分布、光纖的受激拉曼效應、色散漸減光纖、光纖布拉格光纖光柵以及光纖光子晶體等, 都可以實現(xiàn)輸入脈沖的自相似演化。

基于自相似光脈沖的優(yōu)良特性, 借助于光纖放大器中產生自相似脈沖的方法, 2004 年, F. Ilday 等最早提出了自相似脈沖光纖激光器的設計原理, 他們根據(jù)色散管理孤子的傳輸原理, 用摻Yb 光纖放大器的原理設計了自相似光纖激光器的原理, 并且進行了初步的實驗, 由于缺乏有效的脈沖濾波整形和明確的鎖模方法, 所產生的并不是嚴格意義的自相似脈沖, 實際上是色散管理孤子的脈沖。隨后, F . .Ilday 等對鈦寶石激光器產生自相似脈沖激光的可能性進行了理論上的分析。

2005 年,C .Finot 等用全光器件設計的自相似脈沖激光器, 但是其結構、元件較為復雜。因此, 由光纖脈沖放大器過渡到自相似光纖激光器的一個難點是讓帶有啁啾的自相似脈沖必須具備周期性反饋條件, 使脈沖能夠在諧振腔內周而復始地演化, 以滿足鎖模和選頻條件, 所以, 原來的光纖放大器只能作為激光器諧振腔的能量增益部分, 還必須設置脈沖整形的啁啾補償元件, 為此自相似脈沖激光器應當具有4 個主要部分構成:

1)一段具有正GVD 光纖放大器作為激光器的增益介質, 提供自相似脈沖演化的主體, 這一部分必須在自相似脈沖中心波長及其附近具有正的二階色散, 而且其非線性效應以及高階效應要足夠小,具有足夠的帶寬;

2)一個特定中心波長和具有一定帶寬的啁啾濾波器, 其為自相似脈沖進行整形(解啁啾);

3)一段飽和吸收體(SA)或者偏振控制器(PC)為激光器提供鎖模, 或者使用其他鎖模元件;

4)一段具有負GVD 的單模光纖(SMF)與耦合器連接, 其與正GVD 的增益光纖進行有效地耦合, 為激光器提供反饋, 同時提供穩(wěn)定的激光輸出通道。

此外, 還有抽運源、輸入波分復用耦合器、輸出波分復用(WDM)耦合器、單向隔離器和連接光纖以及和其他特種光纖(比如, 保偏光纖、色散補償光纖等)。

自相似脈沖光纖激光器結構決定了激光器的鎖模機制和鎖模器件的類型。激光器的鎖模類型主要有主動鎖模(比如, 內置附加環(huán)形鏡鎖模、內置聲光、電光調制器鎖模、外逆向抽運交叉相位調制鎖模等)、被動鎖模(比如, 偏振旋轉鎖模、增益飽和吸收鎖模、半導體飽和吸收鎖模等)、主被動混合鎖模和被動加成鎖模。目前研究的自相似脈沖光纖激光器的鎖模方法主要是采用被動鎖模方式, 常用的是非線性偏振旋轉演化(NPE)方法和半導體飽和吸收鏡(SESAM)。

自相似光纖激光器標量孤子脈沖的數(shù)學表征

自相似光纖激光器是應用光纖放大器對光信號進行自相似脈沖增益放大的, 其光脈沖的拋物形自相似演化的數(shù)學表征問題, 最初在2000 年由V .I .Krug lov 等[ 14] , 首先假定增益光纖介質帶寬大于脈沖啁啾帶寬的理想情況下, 采用非線性薛定諤方程(NLS E), 描述了光纖放大器具有正色散區(qū)域的脈沖自相似演化的理論特性。此后, 國內外研究自相似脈沖演化特性的解析分析、數(shù)值計算以及對實驗結果的析, 大部分沿用了V .I .Kruglo v 等的方法。

最新研究的典型環(huán)形諧振腔自相似光纖激光器有:孤子-自相似子光纖激光器;耗散孤子自相似全正二階色散光纖激光器;全光纖環(huán)拉曼拋物自相似脈沖激光器;自相似矢量孤子光纖激光器;G raphene 鎖模自相似光纖激光器等。以下簡要描述這些激光器腔型結構、動力學機制、鎖模方法和實驗結果。

2010 年,B .Oktem 等研究的最新的"孤子-自相似子"光纖激光器是單環(huán)腔, 采用非線性偏轉演化被動鎖模方法, 其實驗裝置如圖3 所示, 其中QWP 是1/4 波片, PBS 是偏振分束器。

2010 年,W .H .Renning er 等研究了單環(huán)腔"全正二階色散自相似光纖激光器"的特性, 即ANDi 光纖激光器, 其結構由三大主要部分構成:增益光纖(摻Yb 光纖)、NPE 鎖模元件和光柵濾波器。該裝置的最大特點是不采用負GVD 的色散補償光纖對自相似進行整形, 而是用負啁啾函數(shù)的光柵對自相似啁啾脈沖進行濾波, 從而減少了非線性效應和高階效應對脈沖演化的影響。

他們首先采用的單模保偏光纖, 在忽略偏振模色散(線性偏振)效應而僅僅考慮自相似脈沖演化非線性偏振分量的耦合作用的條件下, 運用耦合的N LSE 進行表征和數(shù)值計算所示。在5 m 長的增益介質演化過程中, 脈沖功率譜趨于自相似拋物線包絡.但是, 他們的研究結論沒有指出由于脈沖功率變化可能引起的正交偏振分量的耦合效應(比如,交叉相位調制)或者不出現(xiàn)耦合效應時脈沖的閾值, 這兩個問題都是大功率自相似光纖激光器運行中不可回避的實際問題。

為了研究自相似光纖激光器重復頻率的穩(wěn)定性問題,Wei-Wei Hsiang 等把一個摻Yb 單環(huán)形腔自相似光纖激光器(其二階色散為+0 .068 ps2)和一個摻Er 單環(huán)形腔自相似光纖激光器(其二階色散為-0 .182 ps2)通過波分復用耦合器耦合成雙環(huán)形腔自相似光纖激光器。其中M2 為半反射鏡,GP 是光柵對壓縮器。

兩個單環(huán)形腔各自采用偏振控制加成鎖模P-APM方式實現(xiàn)鎖模, 雙環(huán)形腔依賴兩個單環(huán)激光器脈沖的交叉相位效應實現(xiàn)鎖模。通過測量雙脈沖序列的重復頻率, 實驗結果發(fā)現(xiàn):雙環(huán)形腔的交叉相位鎖模與兩個單環(huán)形偏振加成鎖?？梢酝瑫r實現(xiàn), 獲得了穩(wěn)定重復頻率的雙波長輸出。摻Yb 單環(huán)形腔鎖模激光脈沖的中心波長在1035 nm(其二階色散約為+0 .068 ps2), 從5 %輸出耦合器輸出的脈沖的頻譜如圖9(a)所示, 在頻譜的中心附近是拋物形狀, 前后沿非常陡, 可以判斷081409-748 , 081409是脈沖自相似演化的結果, 其中的小插圖是通過偏振分束器輸出5 %的自相似激光脈沖的頻譜, 所需要補償?shù)倪绷考s為-0 .182 ps2 , 補償整形后的脈沖寬度約為3 ps 。通過調節(jié)腔內光纖長度和波片的方位, 摻Er單環(huán)形腔也同步實現(xiàn)了脈沖鎖模, 摻Er 光纖長度是該腔單模光纖的1/3 , 但是由于摻Er 光纖對于1560 nm中心波長的脈沖應當具有負的二階色散, 所以, 脈沖在腔內進行的是呼吸孤子(又稱為拉伸孤子)脈沖演化,形成耗散孤子, 其頻譜形狀如圖9(b)所示, 其中的小插圖是由該腔內PBS 輸出5 %的耗散孤子激光脈沖的頻譜。兩種波長同步輸出, 形成相同重復頻率的雙波長激光脈沖的穩(wěn)定輸出。

如果繼續(xù)增加抽運功率, 實驗發(fā)現(xiàn), 雙波長激光脈沖會發(fā)生相互"碰撞"作用, 形成有邊帶結構、中心波長約為1550 nm 激光脈沖, 其產生的物理機制需要做進一步研究。但是, 該激光器的實驗沒有給出輸出脈沖的能量、脈寬以及峰值功率, 也沒有給出具體的重復頻率值。

由于人們對腔內GVD 的大小和正負缺乏準確地測量, 對結果的理解和對實驗結論的解釋缺乏一致性;同時, 其輸出脈沖的能量、脈寬和峰值功率, 以及重復率大小與實際應用還有一定的距離。

把耗散孤子光纖激光器歸類為自相似光纖激光器, 是因為其信號脈沖的增益過程實際上是自相似演化過程, 即脈沖的能量增益階段是在正的二階色散區(qū)域完成的---自相似演化, 該自相似脈沖繼續(xù)傳輸?shù)角粌鹊呢撋^(qū)域后, 自動進行了整形(可能使輸出頻譜偏離了自相似脈沖的頻譜特征)。由于腔內各種復雜參數(shù)(已知的和未知的)的作用, 整形后的脈沖特性與自相似脈沖、耗散孤子脈沖、色散管理孤子等有很大的差別。2010 年, Liu Xueming采用18 m 長的摻Er 光纖和雙偏振控制器的加成鎖模單環(huán)形腔耗散孤子---自相似光纖激光器的特性。

所謂自相似脈沖是指入射的一般短光脈沖, 在摻雜三價元素的增益光纖的正色散區(qū)域中傳輸時, 產生了能量放大、功率譜形狀相似(稱為"自相似")以及具有線性啁啾演化的光脈沖。自相似光脈沖具有三個顯著特點:1)自相似演化特性只由入射脈沖的能量和光纖參數(shù)決定;2)在高功率傳輸時, 具有抵御脈沖分裂的能力;3)具有嚴格的線性啁啾。由于具有嚴格的線性啁啾和較大的、穩(wěn)態(tài)的能量增益, 所以自相似光脈沖易于進行高效的脈沖整形和壓縮, 可以獲得高功率、無基座的近似變換極限的飛秒量級光脈沖。因此, 類比于光孤子, 有的學者又將自相似光脈沖稱為自相似孤子或自相似子。

與一般光纖激光器不同, 自相似光纖激光器是應用光纖放大器對光信號進行自相似的增益放大, 脈沖時域和頻域同時增加, 經過特定的啁啾補償和濾波壓縮后, 得到大能量、高峰值功率和高重復頻率的輸出超短脈沖的光纖激光器。近十幾年來, 歐美、亞太地區(qū)國家及中國臺灣的研究人員從理論和實驗兩個方面對光纖放大器中的拋物形自相似光脈沖進行了大量的研究。在國外, 人們在自相似光纖放大器的基礎上, 對自相似光纖激光器研究的熱點主要集中在摻鐿光纖(YDF)或摻鉺光纖(EDF)被動鎖模的自相似光纖激光器, 而在國內, 相關研究尚未引起足夠關注和尚未形成研究規(guī)模。

通過研究，光孤子通信取得了突破性進展。光纖放大器的應用對孤子放大和傳輸非常有利，它使孤子通信的夢想推進到實際開發(fā)階段。光孤子在光纖中的傳輸過程需要解決如下問題:光纖損耗對光孤子傳輸?shù)挠绊?，光孤子之間的相互作用，高階色散效應對光孤子傳輸?shù)挠绊懸约皢文９饫w中的雙折射現(xiàn)象等。由此需要涉及到的技術主要有:

研究光孤子通信系統(tǒng)的一項重要任務就是評價光孤子沿光纖傳輸?shù)难莼闆r。研究特定光纖參數(shù)條件下光孤子傳輸?shù)挠行Ь嚯x，由此確定能量補充的中繼距離，這樣的研究不但為光孤子通信系統(tǒng)的設計提供數(shù)據(jù)，而且通常導致新型光纖的產生。

光孤子源是實現(xiàn)超高速光孤子通信的關鍵。根據(jù)理論分析，只有當輸出的光脈沖為嚴格的雙曲正割形，且振幅滿足一定條件時，光孤子才能在光纖中穩(wěn)定地傳輸，研究和開發(fā)的光孤子源種類繁多，有拉曼孤子激光器、參量孤子激光器、摻餌光纖孤子激光器、增益開關半導體孤子激光器和鎖模半導體孤子激光器等?，F(xiàn)在的光孤子通信試驗系統(tǒng)大多采用體積小、重復頻率高的增益開關DFB半導體激光器或鎖模半導體激光器作光孤子源。它們的輸出光脈沖是高斯形的，且功率較小，但經光纖放大器放大后，可獲得足以形成光孤子傳輸?shù)姆逯倒β?。理論和實驗均已證明光孤子傳輸對波形要求并不嚴格。高斯光脈沖在色散光纖中傳輸時，由于非線性自相位調制與色散效應共同作用，光脈沖中心部分可逐漸演化為雙曲正割形。

全光孤子放大器對光信號可以直接放大，避免了傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)中光/電、電/光的轉換模式。它既可作為光端機的前置放大器，又可作為全光中繼器，是光孤子通信系統(tǒng)極為重要的器件。實際上，光孤子在光纖的傳播過程中，不可避免地存在著損耗。不過光纖的損耗只降低孤子的脈沖幅度，并不改變孤子的形狀，因此，補償這些損耗成為光孤子傳輸?shù)年P鍵技術之一。有兩種補償孤子能量的方法，一種是采用分布式的光放大器的方法，即使用受激拉曼散解放大器或分布的摻鉺光纖放大器;另一種是集總的光放大器法，即采用摻鉺光纖放大器或半導體激光放大器。利用受激拉曼散射效應的光放大器是一種典型的分布式光放大器。其優(yōu)點是光纖自身成為放大介質，然而石英光纖中的受激拉曼散射增益系數(shù)相當小，這意味著需要高功率的激光器作為光纖中產生受激拉曼散射的泵浦源，此外，這種放大器還存在著一定的噪聲。集總放大方法是通過摻鉺光纖放大器實現(xiàn)的，其穩(wěn)定性已得到理論和試驗的證明，成為當前孤子通信的主要放大方法。光放大被認為是全光孤子通信的核心問題。

在設計全光開關時，采用光孤子脈沖作輸入信號可使整個設計達到優(yōu)化，光孤子開關的最大特點是開關速度快(達10-2s量級)，開關轉換率高(達100%)，開關過程中光孤子的形狀不發(fā)生改變，選擇性能好。

在傳輸速度方面采用超長距離的高速通信，時域和頻域的超短脈沖控制技術以及超短脈沖的產生和應用技術使現(xiàn)行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大傳輸距離方面采用重定時，整形，再生技術和減少ASE，光學濾波使傳輸距離提高到100000公里以上;在高性能EDFA方面是獲得低噪聲高輸出EDFA。當然，實際的光孤子通信仍存在許多技術的難題，從已取得的突破性進展使人們相信，光孤子通信在超長距離、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系統(tǒng)中，有著光明的發(fā)展前景。