基于非線性管理的類噪聲摻鉺鎖模光纖激光器

被動(dòng)鎖模光纖激光器由于其光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、制作成本低、可調(diào)諧以及容易產(chǎn)生超短脈沖等優(yōu)點(diǎn)^［1-3］，在光纖通信^［4］、光纖傳感^［5］、光學(xué)頻率測(cè)量^［6］和航空航天領(lǐng)域^［7］具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。近幾十年來(lái)，利用被動(dòng)鎖模光纖激光器可以產(chǎn)生多種類型的鎖模脈沖，如高斯脈沖^［8］、自相似脈沖^［9］、孤子脈沖^［10］、類噪聲脈沖^［11］（Noise-Like Pulse，NLP）等等。其中，NLP是鎖模激光器在一定條件下產(chǎn)生的一種特殊脈沖，由于其具有脈沖寬度寬、能量高以及低時(shí)域相干性^［12-13］等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于低相干光譜干涉儀^［14］、微加工^［15］、超連續(xù)譜產(chǎn)生^［16］等領(lǐng)域。因此，研究類噪聲鎖模光纖激光器具有重要意義。

目前，基于被動(dòng)鎖模技術(shù)的類噪聲摻鉺光纖激光器的研究已經(jīng)被大量報(bào)道。1997年，以色列的HRORWITZ M等^［17］首次在非線性偏振旋轉(zhuǎn)（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）摻鉺光纖激光器中成功實(shí)現(xiàn)了尖峰脈沖寬度為190 fs、波長(zhǎng)范圍為1 495~1 620 nm的NLP輸出。隨后，XIA Handing等^［18］通過(guò)在NPR鎖模光纖激光諧振腔內(nèi)引入20 m增益光纖，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率為9.36 MHz、光譜范圍為1 500~1 650 nm的類噪聲鎖模脈沖輸出。LUO Aiping等^［19］通過(guò)在非線性環(huán)形鏡摻鉺鎖模光纖激光器中引入32.8 m的單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）和4 m的增益光纖，實(shí)現(xiàn)了光譜范圍為1 540~1 600 nm的類噪聲鎖模脈沖輸出。WANG Zhenhong等^［20］通過(guò)在摻鉺光纖激光器中放置10 m的增益光纖，實(shí)現(xiàn)了光譜范圍為1 545~1 620 nm的類噪聲鎖模脈沖輸出。CHENG Xi等^［21］在NPR摻鉺光纖激光器中利用45°傾斜光纖光柵，產(chǎn)生了尖峰脈沖寬度為420 fs、光譜范圍為1 540~1 630 nm的類噪聲鎖模脈沖。在以上報(bào)道中，研究人員大都是利用較長(zhǎng)的增益光纖或者SMF調(diào)節(jié)腔內(nèi)色散和積累非線性，以此獲得類噪聲鎖模脈沖的輸出，其輸出光譜范圍都在1 495~1 650 nm之間。到目前為止，基于NPR鎖模機(jī)制，采用高非線性光纖（Highly Nonlinear Fiber， HNLF）管理激光腔內(nèi)非線性實(shí)現(xiàn)寬光譜類噪聲鎖模光纖激光器尚未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

因此，本文通過(guò)HNLF和色散補(bǔ)償光纖（Dispersion Compensation Fiber， DCF）來(lái)實(shí)現(xiàn)激光腔內(nèi)非線性和色散管理，利用NPR技術(shù)最終獲得穩(wěn)定的類噪聲鎖模脈沖輸出，首先在腔內(nèi)加入較短的非線性光纖，實(shí)現(xiàn)超短脈沖的穩(wěn)定輸出，其脈沖中心波長(zhǎng)為1 534 nm，脈沖寬度為1.9 ps，重復(fù)頻率為20.1 MHz，40 dB帶寬約為100 nm。為了進(jìn)一步提高腔內(nèi)非線性效應(yīng)，將非線性光纖增長(zhǎng)至30 cm，獲得了穩(wěn)定的寬譜類噪聲鎖模激光輸出，其光譜覆蓋范圍為1 280~1 850 nm，40 dB光譜帶寬達(dá)到500 nm。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，類噪聲鎖模脈沖的基座脈沖寬度和尖峰脈沖寬度隨泵浦功率的演化呈相反趨勢(shì)，且光譜覆蓋范圍隨泵浦功率的增加而展寬。目前，由于使用的泵浦激光功率有限，后續(xù)可以選用更高功率的泵浦激光實(shí)現(xiàn)光譜的進(jìn)一步拓展。

為了利用非線性管理技術(shù)來(lái)獲得穩(wěn)定的鎖模激光輸出，首先對(duì)基于6 cm非線性光纖的摻鉺鎖模光纖激光器進(jìn)行理論模擬，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。在理論上采用分步傅里葉算法求解非線性薛定諤方程，模擬摻鉺光纖諧振腔內(nèi)脈沖演化過(guò)程。圖1（a）為其鎖模激光器的理論模型。該環(huán)形腔由SMF、摻鉺光纖（Erbium-doped Fiber， EDF）、DCF、HNLF、可飽和吸收體（Saturable Absorber， SA）和輸出耦合器（Output Coupler， OC）組成。

圖1  被動(dòng)鎖模光纖激光器理論模擬特性

Fig.1  The theoretical simulation characteristics of passive mode-locked fibre laser

在模擬中，利用廣義非線性薛定諤方程來(lái)描述脈沖的傳播

式中，A表示光脈沖的振幅，α是損耗，β₂是群速度色散，?是非線性系數(shù)，?是A（t）的傅里葉分量，g（ω）是增益，它與頻率ω有關(guān)，并考慮到增益飽和效應(yīng)

在式（2）中，g₀為小增益信號(hào)，E_sat為增益飽和能量，E_pulse為脈沖能量。圖1（b）給出了時(shí)域上信號(hào)從白噪聲起振到形成鎖模脈沖的自洽過(guò)程。從圖中可以看出，脈沖可以從白噪聲中迅速提取，經(jīng)增益光纖放大，并通過(guò)SA實(shí)現(xiàn)脈沖的穩(wěn)定，整個(gè)自洽過(guò)程循環(huán)50圈以后就可以完成。圖1（c）為其展寬脈沖型的典型自相關(guān)軌跡，一般采用雙曲正割或者高斯函數(shù)進(jìn)行擬合。當(dāng)進(jìn)一步增加HNLF的長(zhǎng)度，使得腔內(nèi)非線性效應(yīng)增強(qiáng)，由于脈沖坍塌和峰值功率箝制效應(yīng)的共同作用可以實(shí)現(xiàn)NLP運(yùn)轉(zhuǎn)，其脈沖的時(shí)域演化過(guò)程如圖2所示。圖2（a）為NLP的時(shí)域演化過(guò)程，可以看出，經(jīng)過(guò)有限次的循環(huán)，NLP可以穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。圖2（b）是對(duì)應(yīng)的自相關(guān)曲線演化圖，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，寬脈沖底座上有一個(gè)較窄的尖峰，由于尖峰脈沖較窄，在圖中需要仔細(xì)分辨。圖2（c）為典型的NLP自相關(guān)曲線，通過(guò)自相關(guān)曲線可以最直觀的分辨NLP。通過(guò)對(duì)該鎖模系統(tǒng)的理論分析，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

圖2  類噪聲鎖模光纖激光器理論模擬特性

Fig.2  The theoretical simulation characteristics of noise-like mode-locked fiber laser

在理論模擬的基礎(chǔ)上，選擇最佳的諧振腔參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)上搭建基于HNLF和DCF的被動(dòng)鎖模摻鉺光纖激光器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。激光泵浦源采用輸出波長(zhǎng)為976 nm的半導(dǎo)體激光二極管（Laser Diode， LD），最高泵浦功率為1 100 mW。980/1 550 nm波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）可將LD的泵浦激光耦合到摻鉺增益光纖中，其中WDM的尾纖為0.4 m長(zhǎng)的HI1060光纖，群速度色散為-0.001 3 ps²/m。增益光纖選用60 cm長(zhǎng)的EDF（Er110-4/125），群速度色散（Group Velocity Dispersion，GVD-β₂）為0.013 4 ps²/m。在增益光纖之后引入一段HNLF，其零色散波長(zhǎng)為1 550 nm，非線性系數(shù)為10.7 W^-1km^-1，在1 550 nm處的色散斜率和色散量分別為0.03 ps·nm^-2·km^-1、-0.007 6 ps²/m，主要用于對(duì)諧振腔內(nèi)的非線性進(jìn)行管理。為了減小EDF、DCF與HNLF之間的熔接損耗，在HNLF前后各熔接一段SMF（SMF-28），其群速度色散為-0.022 ps²/m。SMF與HNLF之間的熔接模式主要通過(guò)改變主放電時(shí)間和主放電功率進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化，其熔接損耗可以低至 0.03 dB。為實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)色散的調(diào)整，選用2.5 m長(zhǎng)的DCF（β₂=0.048 ps²/m）。腔內(nèi)剩余光纖為SMF-28?？臻g部分主要包括2個(gè)λ/2波片（Half-Wave Plate，HWP）、2個(gè)λ/4波片（Quarter-Wave Plate，QWP）、1個(gè)偏振分光棱鏡（Polarizing Beam Splitter，PBS）、1個(gè)空間隔離器（Polarization Dependent Isolator，PD-ISO）和2個(gè)準(zhǔn)直器（Collimator，Col）。其中2個(gè)Col將光纖中的光導(dǎo)出至空間并耦合形成回路，PD-ISO用來(lái)確保諧振腔內(nèi)的光保持單向運(yùn)轉(zhuǎn)。利用λ/4波片、λ/2波片和PBS來(lái)精確調(diào)控腔內(nèi)光偏振態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光達(dá)到鎖模狀態(tài)。激光的光譜采用橫河的光譜分析儀（YOKOGAWA，AQ6370D，最小分辨率為0.02 nm，監(jiān)測(cè)范圍為1 200~2 400 nm）進(jìn)行測(cè)試，脈沖寬度利用自相關(guān)儀（Pulsecheck USB，APE）測(cè)量，信噪比由頻譜分析儀（Agilent Technologies E4407B）測(cè)量，脈沖序列由帶寬500 MHz數(shù)字存儲(chǔ)示波器（Tektronix，MDO3054）配合光電探測(cè)器監(jiān)測(cè)。

圖3  摻鉺鎖模光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

Fig. 3  The experimental setup of erbium-doped mode-locked fiber laser

當(dāng)泵浦激光功率為600 mW，通過(guò)調(diào)整諧振腔內(nèi)的波片角度可以獲得穩(wěn)定的超短脈沖輸出。此時(shí)諧振腔內(nèi)的HNLF長(zhǎng)度為6 cm，腔內(nèi)凈色散為-0.019 ps²。圖4為該系統(tǒng)的典型輸出特性。圖4（a）為該激光諧振腔的光譜數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，中心波長(zhǎng)在1 534 nm，輸出光譜的40 dB帶寬約為100 nm，波長(zhǎng)范圍從1 480 nm到1 580 nm。圖4（b）是一個(gè)典型的均勻鎖模脈沖序列，可以看到脈沖強(qiáng)度基本相等，且分布均勻，相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔為50 ns，屬于單脈沖鎖模狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的脈沖重復(fù)頻率為20.1 MHz。測(cè)量的脈沖寬度為1.9 ps，如圖4（c）所示，對(duì)應(yīng)的時(shí)間帶寬積為6.96，這說(shuō)明腔內(nèi)存在較多的啁啾。輸出脈沖的射頻頻譜如圖4（d）所示。觀測(cè)到基頻為20.1 MHz的強(qiáng)信號(hào)峰值，其信噪比約為66 dB。插圖是從0 MHz到500 MHz范圍內(nèi)的射頻頻譜，表明該激光器在高度穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。通過(guò)自相關(guān)曲線可以看出，該系統(tǒng)未產(chǎn)生NLP。

圖4  展寬型摻鉺鎖模光纖激光器的輸出特性

Fig. 4  Output characteristics of broadband erbium-doped mode-locked fiber lasers

在此基礎(chǔ)上，將腔內(nèi)HNLF的長(zhǎng)度增加至30 cm，腔內(nèi)總色散為-0.021 ps²。當(dāng)泵浦功率為1 100 mW時(shí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)波片的狀態(tài)，該激光系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)NLP運(yùn)轉(zhuǎn)。圖5展示了在泵浦功率為1 100 mW時(shí)，類噪聲鎖模脈沖的脈沖序列、光譜圖、自相關(guān)曲線以及射頻頻譜圖。圖5（a）為類噪聲鎖模脈沖的光譜，從圖中可以看出，類噪聲脈沖的中心波長(zhǎng)在1 553 nm，40 dB光譜帶寬約為500 nm，光譜覆蓋1 280~1 850 nm，此時(shí)的光譜范圍明顯增大，這主要是由于NLP通過(guò)HNLF傳輸時(shí)，其頻域和時(shí)域演化受到了多種非線性效應(yīng)的影響。所有這些非線性過(guò)程都能在NLP頻譜內(nèi)產(chǎn)生新的頻率成分，進(jìn)一步展寬了光譜。圖5（b）是一個(gè)典型的鎖模脈沖序列，脈沖的幅度均勻一致，相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔為51 ns。對(duì)應(yīng)的脈沖重復(fù)頻率為19.7 MHz，與10.5 m的總腔長(zhǎng)相符。輸出NLP的射頻頻譜如圖5（c）所示?；l為19.7 MHz的強(qiáng)信號(hào)峰值，其信噪比約為45 dB。該信號(hào)有噪聲基座，是典型的NLP激光器特征。插圖是從0 MHz到500 MHz范圍內(nèi)的射頻頻譜，表明該類噪聲鎖模光纖激光器在比較穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。為了進(jìn)一步確定是鎖模NLP，使用商用的自相關(guān)儀測(cè)量了不同掃描范圍內(nèi)脈沖的自相關(guān)曲線，如圖5（d）所示。通過(guò)圖5（d）可以清楚地看到，在50 ps的掃描范圍內(nèi)，自相關(guān)曲線包含了一個(gè)大的能量底座，一個(gè)窄的尖峰位于大的基座上，其尖峰與基座的強(qiáng)度比為0.5，基座的脈沖寬度為26.6 ps。這是典型的NLP的特點(diǎn)，一個(gè)大的脈沖包絡(luò)由許多振幅和相位不相同的超短脈沖組成。對(duì)尖峰采用高斯曲線擬合，擬合之后的尖峰脈沖寬度為70.9 fs，結(jié)果如圖5（d）的插圖所示。皮秒基座的出現(xiàn)表明，所研究的光場(chǎng)是由皮秒波包組成的，其內(nèi)部是由許多強(qiáng)度和寬度隨機(jī)演化的飛秒脈沖構(gòu)成的精細(xì)結(jié)構(gòu)。另一方面，飛秒峰值表明波包內(nèi)的脈沖具有飛秒級(jí)的持續(xù)時(shí)間。尖峰與基座的強(qiáng)度比為0.5，表明光場(chǎng)的光譜成分是高度不相關(guān)的，因此光場(chǎng)具有較低的時(shí)域相干性^［22-24］。同時(shí)，也表明飛秒脈沖的強(qiáng)度是隨機(jī)變化的^{［17，22-23］}。

圖5  泵浦功率為1 100 mW時(shí)類噪聲被動(dòng)鎖模光纖激光器的輸出特性

Fig. 5  Output characteristics of a noise-like passive mode-locked fiber laser with pumping power of 1 100 mW

當(dāng)泵浦功率為1 100 mW時(shí)，得到最大的輸出功率為2.08 mW，類噪聲鎖模光纖激光器的平均輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系如圖6（a）所示。激光輸出曲線并未出現(xiàn)功率飽和，由于泵浦功率的限制，并沒(méi)有繼續(xù)增加泵浦功率。從圖中可以看出，當(dāng)泵浦功率為0~500 mW時(shí)，該激光器輸出的是連續(xù)波；當(dāng)泵浦功率為500~1 100 mW時(shí)，由于DCF和HNLF控制腔內(nèi)色散和提供非線性效應(yīng)，以及適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)偏振控制器，該激光器實(shí)現(xiàn)了寬帶光譜類噪聲鎖模脈沖的輸出。其鎖模閾值相對(duì)較高，這主要是由于HNLF的熔接損耗以及所用器件都是常規(guī)器件，工作帶寬相對(duì)較窄。因此，需要采用較大的泵浦功率來(lái)達(dá)到鎖模閾值，相比諧振腔內(nèi)沒(méi)有HNFL的情況下，激光器的斜率效率從2%降低至0.18%，這主要是由于腔體中異質(zhì)光纖的模場(chǎng)不匹配導(dǎo)致?lián)p耗過(guò)大，使得類噪聲鎖模光纖激光器的斜率斜率降低。為了驗(yàn)證類噪聲鎖模光纖激光器的功率穩(wěn)定性，采用功率計(jì)（Gentec-EO MASTERRO）測(cè)量了其輸出功率，我們對(duì)其輸出功率進(jìn)行了2 h的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6（b）所示。從圖中可以看出，輸出功率始終保持在1.01 mW左右，通過(guò)計(jì)算可得，2 h的均方根（Root Mean Square， RMS）為1.14%，說(shuō)明它具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性。

圖6  類噪聲鎖模光纖激光器的輸出功率和功率穩(wěn)定性

Fig. 6  Output power and power stability of noise-like mode-locked fiber laser

在獲得類噪聲鎖模脈沖后，研究了不同泵浦功率下NLP的輸出光譜和對(duì)應(yīng)的自相關(guān)曲線。當(dāng)泵浦功率為500~1 000 mW時(shí)，該激光器一直處于NLP鎖模狀態(tài)，其光譜特性和時(shí)域特性如圖7所示。從圖7（a）中可以看出，隨著泵浦功率的增加，尖峰脈沖的持續(xù)時(shí)間略有減少，這一特征主要是源于光譜帶寬逐漸變寬的事實(shí)。相反地，隨著泵浦功率的增加，基座的脈沖寬度逐漸變寬，其結(jié)果如圖7（a）所示。這主要是由于隨著泵浦功率的增加，小脈沖數(shù)量會(huì)不斷增加，NLP的持續(xù)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)。從圖7（b）可以看出，隨著泵浦功率的增加，光譜的形狀基本保持不變，輸出光譜同時(shí)向短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)兩個(gè)方向展寬，光譜覆蓋范圍逐漸增大。這主要是由于隨著泵浦功率的增加，耦合進(jìn)HNLF的功率不斷提高。因此，NLP在通過(guò)HNLF傳輸時(shí)，由于自相位調(diào)制、孤子自頻移等非線性效應(yīng)的綜合作用不斷增強(qiáng)，使得光譜逐漸展寬。隨著泵浦功率的提高，NLP的平均輸出功率還一直在增加，其光譜也一直在變寬，說(shuō)明還未達(dá)到飽和展寬階段，還有進(jìn)一步提高功率和展寬光譜的空間。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的研究，后續(xù)可以通過(guò)定制寬帶寬工作的光纖器件，選用更高功率的泵浦激光，優(yōu)化HNLF的熔接損耗，進(jìn)而獲得更寬光譜的類噪聲鎖模脈沖輸出。

圖7  不同泵浦功率下類噪聲鎖模光纖激光器的輸出光譜和自相關(guān)曲線

Fig. 7  Output spectra and autocorreltion traces of noise-like mode-locked fiber laser at different pump powers

本文研究了一種基于非線性和色散管理技術(shù)的NPR類噪聲鎖模光纖激光器。為了獲得類噪聲鎖模脈沖的輸出，在激光諧振腔內(nèi)引入30 cm HNLF和2.5 m DCF管理腔內(nèi)非線性和色散。當(dāng)泵浦功率為1.1 W時(shí)，由于色散和非線性效應(yīng)的影響，該激光器獲得了尖峰脈沖寬度和包絡(luò)脈沖寬度分別為70.9 fs、26.6 ps，40 dB光譜帶寬為500 nm，重復(fù)頻率為19.7 MHz的類噪聲鎖模脈沖輸出。同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著泵浦功率的增加，類噪聲鎖模光纖激光器的輸出光譜范圍變得更寬。本文的研究為制備寬光譜類噪聲鎖模激光光源提供了可行方案，由于其緊湊、輸出穩(wěn)定、易制作等的特點(diǎn)，它具有很大的應(yīng)用潛力。