NALM鎖模全保偏光纖摻鉺光學頻率梳

劉婷婷，郝 強

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

飛秒光纖光學頻率梳，簡稱“光梳”，已成為激光技術領域的又一重大突破。在該領域內具有突出貢獻的兩位科學家J. Hall和T. W. H?nsch分享了2005年諾貝爾物理學獎的一半[1]。光梳主要特點在于頻率覆蓋范圍廣且單根譜線線寬極窄，能將頻率測量精度提高至10-19，加快了精密光譜、光鐘、生命科學等領域的研究進展[2-5]。從數學表達上看，光梳的梳齒頻率均可表達成fn=nfr+f0，其中：n為縱模序數；fr為激光器重復頻率；f0為梳齒整體相對于零頻的偏移。早期的光梳都是基于鈦寶石激光器或固體激光器實現的[6-8]。隨著激光技術的革新，這些光梳已逐漸不適應實際應用需求。近年來，光纖脈沖激光器及光纖光梳逐漸走進了人們的視野。在光纖內摻雜不同的稀土離子，可以實現多波段的覆蓋，例如 1.0 μm的摻鐿光纖、1.5 μm的摻鉺光纖、2.1 μm的摻鈥光纖和 2.0 μm的摻銩光纖等[9-11]。其中摻鉺光纖光梳由于在通信波段的低損耗特性和可實現全保偏光纖結構的特點成為了科研領域研究的熱點。

光纖激光器鎖模的常用方法包括實體可飽和吸收體鎖模，例如半導體可飽和吸收鏡(SESAM)、碳納米管、石墨烯等，和非實體可飽和吸收體鎖模，例如非線性偏振旋轉(NPR)、非線性放大環形鏡(NALM)等。關于實體可飽和吸收體光纖光梳的研究已小有成果。2014年，美國NIST研究所Sinclair等采用SESAM鎖模研制的全保偏光纖光梳在車載環境下能夠穩定運行[12]。同年，韓國科學技術研究院Lee等將基于飽和吸收體鎖模的光纖激光器送入近地橢圓軌道，激光器連續穩定運轉超過1年[13]。但是實體可飽和吸收體損傷閾值低，且一般具有皮秒量級的弛豫時間，會給光梳系統引入額外的相位噪聲和不穩定性[14]。

非實體可飽和吸收體鎖模，一般具有飛秒量級的弛豫時間。在NPR鎖模光梳研制方面，Peng等將NPR鎖模摻鉺光纖光梳f0信號的頻率穩定度提升至0.52 mHz(1 s采樣周期)[15]。然而，NPR鎖模不符合全保偏光纖結構的理念，不利于實用化。目前，基于全保偏光纖結構的NPR鎖模激光器雖已有研究報道[16-17]，但距離實現光梳還有較大差距。

NALM鎖模通常被稱為干涉鎖模。正、反傳輸的兩束光由光強差異產生相位差，從而在重新合束時表現出不同的透射特性[18]。基于NALM鎖模光纖光梳的最大優勢在于可實現全保偏光纖結構，為解決泵浦功率高和腔長長的難題，研究人員提出在腔內插入非互惠線性相移器來降低鎖模閾值的方法[19-20]。2016年，Kuse等實現了NALM鎖模的摻鉺光纖光梳，載波包絡相位噪聲0.2 rad，時間抖動40 as[10 kHz, 10 MHz][21]。在星載光梳方面，歐洲空間局兩次將NALM鎖模的光纖光梳送入距離地面約200 km的熱層，用于比較在外太空環境下兩臺原子鐘的差異[22]。

本文搭建了全保偏NALM鎖模光纖光梳，當將諧振腔腔內色散優化至-0.078 ps2時，f0信號的信噪比為40 dB，線寬為40 kHz。在采用兩套電路反饋系統后，將fr與f0的頻率抖動量分別降低至 240 μHz和 521.71 mHz。

1 實驗裝置

實驗搭建了一套完整的全保偏光纖結構摻鉺光梳系統，如圖1所示，系統包括基于NALM鎖模的光纖振蕩器、超短脈沖放大器、壓縮器、超連續譜產生器和f-2f自參考探測器。光路中所用均為保偏光纖及保偏光纖器件，以降低外界環境對系統的影響。

圖1 光路實驗裝置圖Fig.1 Schematic of the optical experimental setup

2 實驗方法及結果

基于NALM鎖模的光纖振蕩器由非線性環和線性臂組成，兩者靠分束比為40:60的光分束器(CP2)連接，60%端連接線性臂，40%用作輸出。非線性環內包括中心波長為976 nm的400 mW激光二極管、980/1550 nm波分復用器(WDM1)、70 cm非對稱放置的增益光纖(EDF1,PM-ESF-7/125, Nufern)、10:90 光分束器(CP1)、7 nm帶通濾波器(BP)和相移器。此反射式相移器不僅可以提供π/2的非互惠線性相移，還能降低鎖模閾值，縮短腔內光纖，提高激光器的重復頻率和自啟動性能。環內增益介質為負色散摻鉺增益光纖，其群速度色散(GVD)值為-20.5 fs2/mm，在1550 nm處的模場直徑為8.8 μm。除70 cm增益光纖外，腔內另有2.93 m的單模光纖，諧振腔的重復頻率約為56.38 MHz，腔內凈色散約為-0.078 ps2。CP1的兩個 10%端和 CP2的40%端被用作諧振腔的輸出端，其輸出光譜如圖2(a)所示。output1、2、3端的輸出功率分別為4.9 mW、0.71 mW和4.2 mW，對應的10 dB光譜帶寬分別為9.47 nm、6.26 nm和6.81 nm。參考文獻[19]研究了NALM鎖模激光器的輸出特性并發現非線性環與線性臂連接處的輸出端，即output3端會輸出較多的連續光和脈沖的邊緣弱光成份，導致其輸出脈沖噪聲較大，光譜對比度不高且形狀不平滑。因此，output3端更適合用來探測諧振腔的重復頻率信號。output2端輸出功率最小，輸出光譜最窄，適合用作諧振腔的鎖模監測。output1端的輸出功率最大，輸出光譜最寬且對比度高于50 dB，輸出脈沖噪聲小，因此最適合用作后續的脈沖放大。

在負色散摻鉺光纖放大器中，由于纖芯內部自相位調制和負色散的相互作用，會使輸出脈沖產生較大的基底，降低脈沖質量；而在正色散摻鉺光纖放大器中，脈沖會在正色散、增益和非線性的共同作用下邊放大邊展寬并在放大過程中保持線性啁啾[23]。因此，實驗采用正色散摻鉺放大器來實現超短脈沖功率的放大。此單級、雙向放大器包括5:95光分束器(CP3)、1550 nm光隔離器(ISO)、980/1550 nm波分復用器(WDM2)和1.3 m高濃度摻鉺增益光纖(EDF2, Er80-4/125-HD-PM, Liekki)，其 GVD為 21.7 fs2/mm。諧振腔輸出脈沖的平均功率可由4.9 mW放大至172.7 mW，單脈沖能量超過3 nJ。由于放大器輸出脈沖攜帶線性正啁啾，故可以利用單模光纖補償負色散來壓縮脈沖寬度。放大器輸出脈沖經過兩段單模光纖，包括76 cm的WDM3尾纖和1 m的單模光纖后，其脈沖寬度被壓縮至50 fs左右，對應的峰值功率高達61.3 kW，壓縮后的光譜10 dB帶寬為67.8 nm，如圖2(b)中放大器輸出線所示。

對于1 μm波段的摻鐿光纖激光器，因具有微結構的光子晶體光纖而被廣泛應用于超連續譜的產生，但難以實現全光纖結構。而對于1.5 μm摻鉺激光器，在2000年，研究人員提出采用超短脈沖激光泵浦高非線性光纖的方法，利用高能激光在光纖中的非線性效應來實現光譜拓展[24]。我們采用將壓縮器的尾纖與55 cm的保偏高非線性光纖(PM-HNLF)直接熔接方法，該高非線性光纖為橢圓纖芯，其非線性系數為γ=10.5 W-1km-1，在1 550 nm處的色散為-2.4 fs2/mm，模場直徑為4 μm。由于高功率超短脈沖引起的強非線性效應能將輸出光譜范圍拓寬至1 030～2 200 nm。鑒于實驗器材的限制，光譜儀(AQ6370,Yokogawa)只能觀測到1 000 nm至1 700 nm范圍內的超連續譜，如圖2(b)超連續譜線所示。為了證明1 700 nm以上光頻的存在，我們將超連續譜用周期性極化鈮酸鋰晶體(PPLN)倍頻，并用光譜儀(HR4000, Ocean optics)探測到了倍頻光，如圖2(b)2 000～2 200倍頻光譜線所示，證實了光譜已覆蓋一個倍頻層。

圖2 輸出光譜圖Fig.2 The output spectral profiles

之后，實驗采用了共線型f-2f自參考探測器來探測f0信號。探測器中L1為可變焦透鏡(見圖1)，用于將光纖輸出光準直成空間平行光。波長在2 086 nm附近的基頻光經過PPLN后，被倍頻至1 043 nm附近，并與原超連續譜中1 043 nm附近的基頻光拍頻產生f0信號。根據準相位匹配原則，在使用了焦距為50 mm的消色差透鏡(L2)和中心波長為2 020 nm的半波片(HWP)后，倍頻效率可提高40%左右。在經過50 mm透鏡(L3、L4)準直和1 nm帶通濾波片(BP)濾波后，信噪比為40 dB，線寬為40 kHz的f0信號可被高速光電探測器(APD)捕捉到，如圖3(b)所示。

實驗還研究了f0信號線寬與諧振腔腔內凈色散的關系，如圖3所示。

從圖3(a)中可以看出，當腔內凈色散逐漸接近零色散時，f0信號的線寬呈下降趨勢。當腔內凈色散逐漸從-0.145 ps2優化至-0.078 ps2時，激光器的重復頻率從26 MHz增加至68.9 MHz，相對應f0信號的線寬從70 kHz降低至40 kHz。圖3(c)～(e)分別為F、G、H點5 MHz范圍下記錄的f0信號，其線寬為67 kHz、42 kHz和40 kHz，對應的腔內凈色散為-0.134 ps2、-0.086 ps2和-0.078 ps2。從腔內凈色散和f0信號線寬的對應關系中我們可以推斷出，要獲得更高信噪比、更窄線寬的f0信號，將諧振腔的腔內凈色散繼續向零色散附近優化是十分必要的。

3 鎖定電路設計

要實現一臺穩定的光梳，必須要實現fr與f0信號的同時鎖定，所以采用了兩套電路系統(LE1和LE2)來分別反饋控制諧振腔的泵浦功率和腔內壓電陶瓷(PZT)的伸縮量，進而實現f0信號和fr信號的鎖定，其電路原理圖如圖4所示。需要注意的是，為保持fr與f0信號的同步性，LE1與LE2的外部參考信號以同一銣原子鐘為基準。在LE1反饋系統中，從APD獲得的f0信號經濾波放大后，需要進行分頻。這是因為雖然f0信號的線寬僅有40 kHz，但諧振腔泵浦功率對f0信號的調制帶寬被限制在約100 Hz的水平，因此需要將f0信號進行分頻以實現反饋電路的帶寬匹配。將f0信號512分頻后，再通過高速鑒頻鑒相器與外部參考信號進行比對，得到的誤差信號被反饋到諧振腔的泵浦源上。通過負反饋微調泵浦功率，可將f0信號的頻率抖動標準偏差降低至521.71 mHz，如圖5(a)所示。

圖3 f0 信號線寬與腔內色散的關系Fig.3 The relationship between the linewidth of f0 signal and the net cavity dispersion

圖4 鎖定電路原理圖Fig.4 Schematic of the locking electronics

圖5 f0 和fr 信號頻率計數圖Fig.5 The long-time stabilization of f0 and fr

電路系統LE2通過反饋控制腔內PZT的伸縮量，進而改變諧振腔的有效腔長來實現fr信號的鎖定。諧振腔內所用PZT的行程為10 μm，對fr信號的最大控制范圍為153 Hz，已足以補償fr信號的自由漂移。與LE1電路系統相似，從諧振腔output3端采集到的fr信號經過濾波放大后與外部參考信號比較，其誤差信號被轉化成PZT的驅動電壓。PZT的拉伸量與所加電壓成線性正比關系，通過PZT的伸縮來拉伸諧振腔內光纖即可精確控制諧振腔腔長，最終將fr頻率抖動的標準偏差降低至240 μHz。

4 結 論

實現了基于NALM鎖模的全保偏摻鉺光纖光梳系統。搭建了全保偏光纖結構的NALM鎖模激光器，其重復頻率為56.38 MHz，輸出功率為4.9 mW，光譜寬度為9.47 nm。之后，先通過雙向放大將單脈沖能量提升至3 nJ，再利用單模光纖將脈沖寬度壓縮至50 fs，脈沖的峰值功率可達61.3 kW。利用超短脈沖泵浦高非線性光纖的方法，輔以共線型f-2f自參考探測技術，可成功探測到40 dB、40 kHz的f0信號。最后，利用兩套電路反饋系統分別將fr和f0信號的頻率抖動降至240 μHz和521.71 mHz，實現了一臺完整的全保偏摻鉺光纖光梳。