谐波锁模光纤激光器

光纤激光器受限于自身腔长,基频一般都小于100 MHz。若想重复频率达到百兆赫兹,腔长需要控制在2 m以内,这将限制增益光纤的长度和输出功率,可能还要采用空间光学元件,影响了激光器的可移动性。而谐波锁模光纤激光器可以较容易的实现高重复频率的脉冲光。

在主动锁模光纤激光器中,激光器的重复频率由外加电脉冲的重复频率决定,并且目前的射频信号和调制器都可以实现大于lOGHz的调制频率,因此,主动锁模光纤激光器比较容易实现大于lOGHz的谐波锁模脉冲光并且己经在光通信领域获得广泛的应用被锁模光纤激光器中也可以出现多脉冲现象。D. Y. Tang等人利用孤子峰值功率限制效应(peak-power-limitingeffect)解释了被动锁模光纤激光器中的多脉冲形成机制。随着泵浦功率的增加,孤子需要承受更大的非线性相移,一旦色散和滤波器不能有效限制非线性相移导致的脉冲展宽,脉冲就将展宽分裂为多个脉冲。如果多脉冲在色散、滤波器和非线性效应的作用保持稳定,激光器就能实现多脉冲锁模。如果多脉冲之间间隔较小并相互缠绕就可以形成束缚态,如果多脉冲之间时间间隔也维持为脉冲腔内往返时间的整数分之一就能形成被动谐波锁模。

在反常色散区的传统孤子由于能量较小,在高泉浦功率下很容易形成多脉冲谐波锁模。目前己报道的被动谐波锁模掺辑光纤激光器的谐波阶数达到了 634阶,重复频率达到10GHz[n9]。由于掺镱光纤激光器中的孤子能量高于掺辑光纤激光器,所以在被动谐波锁模掺镱光纤激光器比较难以实现。2004年,B. Orta等人将双包层掺镱光纤激光器工作在色散管理孤子锁模状态,在正色散区获得5阶,反常色散区获得20阶谐波锁模。正是因为耗散孤子在孤子中能量水平最高,所以实现耗散孤子谐波锁模也最困难。D. Liu等人在2010年,利用多波长滤波器和NPR锁模方式,首次在全正色散腔内实现了 3阶谐波锁模,重复频率达到125.39 MHz，长周期光纤光栅(LPG)作为滤波器促使多脉冲的形成。

增加腔的长度可以降低激光器的基频,使得耗散孤子在较低的粟浦功率下实现高峰值功率,所以激光器在相同的栗浦功率下获得更高的谐波阶数。该研究在随后的研宄中将腔长增长,并采用全光纤结构实现了 14阶谐波锁模,重复频率为35.497 MHz。作为自然可饱和吸收体的石墨稀材料具有很高的损耗阈值,在高粟浦功率下,不易损坏,正是由于这个优点,石墨稀在被动谐波锁模光纤激光器中越来越多被使用。目前,在全正色散腔条件下,基于石墨稀的谐波锁模阶数也己经实现了 30阶。这些技术的应用,使得耗散孤子光纤激光器正逐渐向高重复频率的方向发展。

随着研究的不断深入,锁模光纤激光器的种类也不断丰富,所利用的锁模技术也不尽相同。我们根据锁模方式的不同可以将锁模光纤激光器大致分为三种-一是主动锁模,一是被动锁模,还有混合锁模光纤激光器。

主动锁模光纤激光器利用的锁模方式一般是引入外界信号使激光器腔体内的参量达到周期性变化。其特点是,在腔体内加入调制器件或注入外部光脉冲,主动调制腔内光波以达到锁模的目的。现在普遍研究的主动锁模光纤激光器一般有典型的基于调制器的锁模光纤激光器、有理数谐波锁模(RHML, Rational Harmonic Mode Lock)光纤激光器以及注入型锁模(Injection Mode Lock)光纤激光器。

20世纪80年代中期,英国南安普顿大学的研究人员首创出第一台主动锁模光纤激器。若不考虑系统的稳定性问题,1996年,日本的Yoshida等人提出了能产生重复频率高达200GHz有理数谐波锁模脉冲的激光器。2000年,H.Avramopoulos的研究小组研究出能产生多波长输出的注入型主动锁模激光器,可同时输出10个波长的脉冲,重复频率为30GHz,脉宽7ps[i6]。同年的OFC会议上,此小组又一次报道了他们研制的性能提高后的注入型激光器,重复频率提高到40GHz,调谐范围为20mn。

用主动锁模光纤激光器产生的锁模脉冲形状对称且重复速率高,其中心波长可调谐,也比较容易实现高阶谐波锁模,而且能够直接产生无频率啁嗽近似变换极限的光脉冲。然而,直接利用调制器的主动锁模光纤激光器由于调制频率的限制,对脉冲重复频率的提高影响较大;另外,锁模脉冲和其峰值功率对外界环境要求较高,外界的干扰常常会导致输出脉冲波形不稳定。激光器腔体内偏振态起伏、腔长浮动以及超模噪声等因素都会对激光器输出的光脉冲产生影响有时为了提高系统的稳定性,需要增加一些额外的措施。而且,调制器的使用在腔体内引入了附加损耗,而调制器本身是一个非光纤元器件,也使得激光器不能进行全光纤集成。

被动锁模光纤激光器是利用饱和吸收体、非线性光纤环形镜(NOLM, Nonlinear Optical Loop Mirror)> 光纤的非线性偏振旋转(NPR, Nonlinear Polarization Rotation)等方法来产生锁模脉冲的。

可饱和吸收效应早在20世纪70年代就被应用于被动锁模。主要是利用光脉冲在通过吸收体时,其边缘部分的损耗会大于中央部分,光脉冲被不断窄化的原理来形成锁模。利用的可饱和吸收材料通常是半导体吸收介质(如InGaAsP等),所以这种结构并不是全光纤结构。利用可饱和吸收产生的光脉冲脉宽一般为ps级或fs级,容易实现光脉冲的自启动,能够使重复频率达到较稳定的状态。非线性光纤环形镜进行被动锁模,利用的是在腔内进行的非线性效应的作用产生的光脉冲在亲合器处分开,形成相反方向传输且幅值相同的两个部分,由于自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)等作用,产生非线性相移。而由于EDFA放置不对称,两部分分别产生的相移量不同,两部分同时再次进入到耦合器时,相干叠加后就会出现自幅度调制的脉冲窄化。在功能上,这种效应与可饱和吸收体相似,有时被并称为加成脉冲锁模(APM)。这种光纤激光器一般采用"8"字型结构。根据获得相向传输的两束光的方法不同,还可以分为非线性光学环形镜(NOLM)、非线性放大环形镜(NALM)和色散非均衡环形镜等。

利用主动或被动方式锁模的激光器,因为结构、元件等因素都有其相应的缺点和难以解决的问题。所以,可以在同一激光器腔体内综合两种以上的锁模技术来实现锁模,以得到窄脉宽,高重复频率且输出稳定的孤子脉冲序列。这种类型的激光器一般采用"8"字形结构,通常是在"8"字型被动锁模结构的其中一臂上加入主动锁模调制器件。

主被动混合的锁模光纤激光器可以结合两种锁模激光器的优点,但不可避免的也遗留了一些缺点,如因引入主动锁模,系统结构难以实现全光纤集成等,这些问题还需要进一步的研究完善。

主动锁模光纤激光器可以输出高重复频率的近变换极限超短脉冲 ,在高速光纤通信系统 、传感 、光谱学 、医学等领域有着重要的应用价值. 利用有理数谐波锁模技术 ,可以突破调制器带宽的限制而产生更高频率的超短脉冲, 成为主动锁模光纤激光器的一个研究热点.

谐波锁模光纤激光器(HM LFL)的输出脉冲质量很理想 ,但面临稳定性的考验:一方面谐波锁模固有的超模噪音引起短期不稳定性 ;另一方面温度的变化引起腔长变化 ,使得调制频率和腔本征谐波频率(腔基频的整数倍频率)之间失配, 难以稳定工作.除此之外 ,光纤偏振模色散(PM D)等引起的偏振效应也能影响 HM LFL 的稳定性. 所以在没有有效控制措施的情况下, HM LFL 很难走出实验室. 目前针对这三种不稳定性, 提出了多种稳定性措施, 其中抑制超模噪音的方法主要包括腔内滤波法、复合腔结构以及基于非线性光学环形镜(NO LM)或非线性偏振旋转(NPR)的加成脉冲限制(APL)等;控制腔长变化对稳定性的影响主要采用服机构、再生锁模(Regenerative mode-locking)技术, 以及采用波长锁定器得到偏移误差信号补偿腔长变化;减小偏振效应的影响主要靠采用保偏系统和构建 σ腔. 事实上在实际锁模激光器中往往综合采用以上控制措施来提高稳定性.