袁 泉，王天樞，馬萬卓，林 鵬，紀海瑩，熊 浩

（1.長春理工大學 空間光電技術(shù)國家與地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長春 130022；2.長春理工大學 光電工程學院，吉林 長春 130022）

引言

在過去的幾十年中，被動鎖模超快光纖激光器由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、脈沖極窄、易調(diào)諧等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在光纖傳感、光學頻率測量、材料加工、長距離測距和自由空間光通信等領(lǐng)域[1-5]。然而早期的超快脈沖光源僅限應(yīng)用在如實驗室等非常穩(wěn)定的環(huán)境，但是大量實際需求需要光源能夠在不穩(wěn)定甚至惡劣的條件下工作，如工廠、飛機、車間等。與普通光纖相比，保偏光纖具有更強的抵抗外界應(yīng)力特性，從而保持腔內(nèi)光脈沖的偏振狀態(tài)不變。因此，由全保偏光纖器件組成的諧振腔結(jié)構(gòu)可以在很大程度上屏蔽環(huán)境的干擾，例如振動或溫度、濕度和氣壓的變化等。全保偏光纖激光器能夠為多領(lǐng)域提供穩(wěn)定的脈沖光源，因此開展對全保偏光纖激光器的研究和優(yōu)化是具有實際應(yīng)用價值的。

全保偏光纖激光器可使用可飽和吸收體進行鎖模，例如碳納米管[6]、石墨烯[7]和可飽和吸收鏡[8]。但是，可飽和吸收體材料通常具有局限性，它們的損傷閾值低，且化學性能會隨著時間的推移而發(fā)生退化[9]。與飽和吸收體相比，非線性光學環(huán)形鏡（NOLM）和非線性放大環(huán)形鏡（NALM）鎖模結(jié)構(gòu)具有更高的損傷閾值和更短的響應(yīng)時間，因此，NOLM 和NALM 鎖模機制也引起了更多研究人員的關(guān)注[10-14]

本文提出了一種基于NALM 結(jié)構(gòu)的全保偏九字腔光纖激光器。由于相移器的使用，降低了諧振腔的鎖模閾值，在泵浦功率達到120 mW 時便能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動的孤子鎖模，所對應(yīng)的脈沖寬度為614.6 fs，重復(fù)頻率為11.1 MHz。之后逐漸增大泵浦功率到470 mW，實現(xiàn)了中心波長位于1 530.2 nm的類噪聲脈沖輸出，調(diào)節(jié)泵浦功率后最大輸出功率為73.9 mW，對應(yīng)的單脈沖能量為6.66 nJ。最后將泵浦功率固定為600 mW，測量了激光器1 h 的穩(wěn)定性，證明該結(jié)構(gòu)具有高度穩(wěn)定性。整個保偏結(jié)構(gòu)具有低閾值、可自啟動、鎖模模式可切換、輸出的鎖模脈沖能量高等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用價值。

1 相移器在NALM 結(jié)構(gòu)中降低鎖模閾值原理

實驗中所使用的九字腔的工作原理如圖1所示。該結(jié)構(gòu)基于2×2 耦合器，分光比為α：（1-α）。假設(shè)入射光從端口1 進入結(jié)構(gòu)，經(jīng)過耦合器會分成兩束相反方向的光，則逆時針方向?qū)?yīng)光的透射方向，順時針方向?qū)?yīng)光的反射方向。在我們的實驗結(jié)構(gòu)中，透射方向?qū)?yīng)著輸出，反射方向的光在諧振腔內(nèi)經(jīng)過反射鏡反射會再次以入射光進入雙向環(huán)路中。九字腔結(jié)構(gòu)的反射率與環(huán)中兩個相反方向的光的非線性相移差之間的關(guān)系可以表示為[15-16]

圖1 加入相移器后NALM 結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of NALM structure after adding phase shifter

式中：Ein和Eout1分別代表輸入光和輸出反射光的強度;ΔφNL=|Ein|2×2πn2L/λ 和Δφ0表示非線性相移差和線性相移;α為耦合器分束比；L是環(huán)路中光纖的長度；n2是非線性克爾系數(shù)；λ是入射光的波長；R是反射率。加入移相器實質(zhì)是在環(huán)路中加入一個線性相移Δφ0（Δφ0=-1/2π），然后該結(jié)構(gòu)中的反射率與非線性相移差之間的關(guān)系變?yōu)?/p>

九字腔結(jié)構(gòu)相當于人工可飽和吸收體，當脈沖的反射率達到最大值時，脈沖中心高能量部分被反射，而脈沖兩翼部分被透射從而實現(xiàn)對脈沖的窄化作用，完成鎖模。保偏九字腔激光器中反射率與非線性相移差ΔφNL之間的關(guān)系可用（3）式進行數(shù)值模擬，其中α為0.5，Δφ0為-1/2 π。如圖2所示，實線和虛線分別對應(yīng)未插入相移器和插入相移器后的關(guān)系曲線。當非線性相移差（ΔφNL）為零時，它對應(yīng)于連續(xù)光的工作狀態(tài)，而較高的ΔφNL可以對應(yīng)于脈沖光的工作狀態(tài)。在未使用相移器時，為了達到反射率最大值，諧振腔需積累大量的非線性相移差，一般會通過增加腔長和增大泵浦功率來實現(xiàn)，使得激光器具有很高的鎖模閾值。在實驗中，結(jié)構(gòu)里插入了-1/2 π 的線性相移，如圖2所示，相當于使整個反射率曲線向右平移。因此，腔內(nèi)僅需積累所插入的線性相移量的非線性相移差就能達到反射率的最大值，從而實現(xiàn)鎖模閾值的降低。

圖2 反射率隨非線性相移差變化的仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of reflectivity changing with nonlinear phase shift difference

2 實驗結(jié)構(gòu)與工作原理

低閾值、可實現(xiàn)鎖模狀態(tài)轉(zhuǎn)換的全保偏九字腔光纖激光器的實驗結(jié)構(gòu)如圖3所示。實驗結(jié)構(gòu)由一個環(huán)形腔和一個線性腔兩部分組成。采用980 nm 半導(dǎo)體激光器通過一個980 nm/1 550 nm 波分復(fù)用器（wavelength division multiplexer,WDM）耦合進0.7 m 長的保偏摻鉺增益光纖（polarizationmaintaining gain erbium-doped fiber,Liekki,Er80-4/125-HD-PM,PM-EDF），增益光纖的群速度色散為-29.3 ps/nm/km。環(huán)路中包含一段15 m 的保偏單模光纖和具有-1/2π 相位延遲的保偏反射型相移器。相移器的使用可減小鎖模所需要的非線性相移差，從而縮短腔體長度。線形腔的尾端接入一個光纖型反射鏡，實現(xiàn)對環(huán)路反射出的光脈沖的再次反射，作為輸入光進入環(huán)路。環(huán)路與線性腔通過2×2 的3 dB 耦合器相連構(gòu)成九字腔從而實現(xiàn)鎖模，其中一個端口作為輸出端。

輸出的鎖模脈沖光譜通過分辨率為0.02 nm的光譜分析儀（OSA,Yokogawa AQ6375）進行觀察。時域上的脈沖信號通過2.5 GHz 示波器（OSC,Agilent DSO9254A）與1.5 μm 的光電探測器組合來觀測。頻域上的脈沖信號通過頻譜分析儀（Agilent N1996A,FSA）觀測，其頻率探測范圍為100 kHz至3 GHz。可通過自相關(guān)儀（SHG FS Photonics Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)R-103XL）測量脈沖的自相關(guān)曲線。

3 實驗結(jié)果與討論

實驗中，泵浦功率增加至120 mW 時，達到鎖模閾值實現(xiàn)了自啟動鎖模。激光器輸出的鎖模脈沖的光譜如圖4（a）所示，光譜具有圍繞中心波長對稱分布的Kelly 邊帶，表明該激光器工作在傳統(tǒng)孤子鎖模區(qū)域，其中心波長為1 530 nm，3 dB 帶寬為5.2 nm。圖4（b）為脈沖序列圖，脈沖的周期為90.1 ns，與所用結(jié)構(gòu)的腔長18 m 相對應(yīng)。圖4（c）顯示了孤子脈沖的自相關(guān)曲線，其半高全寬為614.6 fs，假設(shè)由雙曲正割形狀擬合，通過計算可得輸出脈沖的時間帶寬積為0.41，接近于變換極限0.315。圖4（d）為其頻譜圖，重復(fù)頻率為11.1 MHz，經(jīng)計算符合腔長18 m 和脈沖間隔90.1 ns，表明鎖模處于基本鎖模狀態(tài)，信噪比為57 dB。從圖4（d）的插圖可以看出，頻率穩(wěn)定并且沒有調(diào)制，輸出的鎖模脈沖的平均功率為1.2 mW。

圖4 傳統(tǒng)孤子鎖模Fig.4 Conventional soliton mode-locking

在實現(xiàn)孤子鎖模后，逐漸增加泵浦功率，腔體中的脈沖變得越來越不穩(wěn)定。直到泵浦功率增加至470 mW 時獲得了類噪聲鎖模脈沖，如圖5所示。隨著泵浦功率的增加，腔內(nèi)的非線性也會迅速增大，非線性相移的過度積累會使每個短脈沖分裂成幾個脈沖；同時，許多短脈沖又聚集在一個長包絡(luò)中[17]。研究顯示，類噪聲脈沖由許多具有高峰值功率的超短脈沖組成，所以隨著泵浦功率的增加，諧振腔內(nèi)的傳統(tǒng)孤子脈沖轉(zhuǎn)換為類噪聲脈沖。其光譜如圖5（a）所示，中心波長為1 530.2 nm，3 dB 譜寬增加到17.1 nm。圖5（b）為脈沖序列圖，類噪聲包絡(luò)的持續(xù)時間為471 ps，脈沖間隔為90.1 ns。驗證矩形脈沖的類型可以測量其自相關(guān)跡線，如圖5（c）所示，在寬基底上有一個相干峰，表明激光器工作在類噪聲鎖模狀態(tài)，通過高斯擬合，相干峰的半峰全寬約為307.4 fs。圖5（d）為類噪聲頻譜圖，其具有11.1 MHz 的重復(fù)頻率，信噪比為60.7 dB。圖5（d）的插圖為大范圍的射頻（RF）頻譜，在RF 頻譜圖中未發(fā)現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，這表明激光器工作在穩(wěn)定狀態(tài)，在此狀態(tài)下的輸出功率為63.2 mW，脈沖能量為5.69 nJ。當泵浦功率從420 mW 增加到600 mW 時，輸出功率可由63.2 mW增加到73.9 mW，所對應(yīng)的脈沖能量由5.69 nJ 增加到6.66 nJ。

圖5 類噪聲鎖模Fig.5 Noise-like mode-locking

最后將泵浦功率固定為600 mW，并記錄1 h內(nèi)激光輸出功率和重復(fù)頻率的穩(wěn)定性，如圖6 和圖7所示。由于采用全保偏結(jié)構(gòu)，輸出光功率的峰峰值（PPV）波動小于1.9%，重復(fù)頻率的峰峰值波動小于1.6%，證明了激光諧振腔的高度穩(wěn)定性。

圖6 輸出功率1 h 穩(wěn)定性Fig.6 Stability of output power within 1 h

圖7 重復(fù)頻率1 h 穩(wěn)定性Fig.7 Stability of repetition rate within 1 h

4 結(jié)論

提出了一種具有低閾值、自啟動的全保偏光纖激光器。由于結(jié)構(gòu)中相移器的使用降低了諧振腔的鎖模閾值，實現(xiàn)了從孤子鎖模到類噪聲脈沖的轉(zhuǎn)換。泵浦功率達到鎖模閾值120 mW 時，獲得了中心波長為1 530 nm、3 dB 帶寬為5.2 nm 的孤子鎖模脈沖。在泵浦功率增加到470 mW 后，可獲得位于1 530.2 nm 的類噪聲脈沖，脈沖能量為5.69 nJ。最后記錄1 h 內(nèi)激光輸出功率和重復(fù)頻率的穩(wěn)定性，輸出光功率的峰峰值波動小于1.9%，重復(fù)頻率的峰峰值波動小于1.6%，證明了整個結(jié)構(gòu)具有高度穩(wěn)定性。該保偏光纖激光器具有閾值低、可自啟動、鎖模模式可切換、輸出的鎖模脈沖能量高等優(yōu)點，在超連續(xù)譜的產(chǎn)生、材料加工和光纖傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。