雙波長可切換飛秒鎖模光纖激光器

孫夢秋,汪徐德,楊思敏,梁勤妹

(淮北師范大學物理與電子信息學院,安徽 淮北 235000)

1 引 言

被動鎖模光纖激光器因結構簡單、轉換效率高、光束相干度大、光源質量好等優點,一直受到人們極大的關注。除了可以作為優質的脈沖光源,光纖激光器還可以作為理想的非線性光學系統平臺,用來觀察和研究各種孤子動力學行為。到目前為止,真實材料可飽和吸收體和類可飽和吸收體被廣泛應用于鎖模激光器中以實現脈沖孤子輸出。借助與這些鎖模器件,在光纖激光器中已獲得了各種類型的孤子脈沖,如傳統孤子、耗散孤子[1]、多波長鎖模[2]、可切換鎖模[3-4]、多脈沖鎖模[5]等。相比于真實材料可飽和吸收體,利用類可飽和吸收體特別是利用非線性偏振旋轉技術進行鎖模,因其結構簡單緊湊,損傷閾值高,具有全光纖結構,被認為是產生孤子脈沖最成熟最有效的方式[6-7]。

隨著激光技術的發展,非線性偏振旋轉型光纖激光器在超短脈沖寬度,單脈沖能量,脈沖重復率,多波長可切換可調諧等各項性能指標不斷提高。為了提高通信容量,滿足基于波分復用大容量通信網的要求,多波長鎖模激光器以及多波長可切換鎖模光纖激光器成為目前的研究熱點[8-10]。相比于單一波長鎖模光纖激光器,多波長鎖模光纖激光器可以做到同一激光器同時在雙波長或多波長產生超短脈沖。迄今為止,為了實現多波長工作,研究者們往激光腔中加入一些輔助光學器件,如光纖布拉格光柵[11]、保偏光纖[12]、馬赫-曾德(M-Z)干涉儀[13]等,在腔中產生濾波效應,迫使激光器在特定的波長振蕩。Liu X等人報告了一個基于光纖布拉格光柵的緊湊的納米管鎖模全光纖激光器,在1540 nm、1550 nm和1560 nm處實現了同時三波長鎖模操作[14]。Gong Y D等人提出在環形光纖激光器中插入兩段保偏光纖,觀察到1558 nm和1570 nm雙波長超短脈沖輸出[15]。H.Ahmad等人提出了一種使用可調諧馬赫曾德爾濾波器和石墨烯飽和吸收器作為鎖模元件的超快光譜可調諧光纖激光器,實現了光譜中心波長為1551 nm到 1570 nm的可調諧鎖模[16]。但是這些輔助器件不僅會增加光纖激光器系統的復雜度,還使得光纖激光器缺乏靈活的操作性。為了降低激光器的復雜度,可以直接采用非線性偏振旋轉(NPR)技術在腔內誘導梳狀濾波效應來實現多波長鎖模,一方面NPR結構既可以作為一個等效的 Lyot濾波器,實現多波長濾波,另一方面NPR結構還可作為鎖模器件,其誘導的強度相關損耗,可以有效地抑制摻鉺光纖激光器中的模式競爭,能在常溫條件下獲得穩定的雙波長或多波長鎖模輸出[17]。盡管已有很多關于NPR鎖模的多波長鎖模光纖激光器的實驗觀察,但對激光器中多波長可切換操作的孤子動力學行為的研究依然具有一定的探索意義。

本文報道了基于NPR鎖模的雙波長可切換飛秒鎖模光纖激光器。得益于NPR誘導的梳狀濾波效應,光纖激光器不僅在1533.2 nm和1557.2 nm處同時實現鎖模,并且通過調節偏振控制器,在這兩個波長間還實現了可切換操作,波長間隔為24 nm,脈沖寬度分別為730 fs和890 fs。此外,實驗中還觀察多脈沖鎖模。實驗結果有助于人們深入了解雙波長可切換鎖模光纖激光器的動力學特性。

2 實驗裝置

圖1為基于NPR鎖模雙波長可切換飛秒鎖模光纖激光器原理示意圖。為了構成非線性偏振旋轉效應,在兩個偏振控制器(PC)之間放置一個偏振相關隔離器(PD-ISO),偏振控制器用于調節光的偏振態,而偏振相關隔離器起到光的單向隔離和起偏器的作用。泵浦源為980 nm的臺式半導體激光器,通過980/1550 nm的波分復用器(WDM)對6 m的摻鉺光纖(EDF)進行泵浦,其中摻鉺光纖的色散系數為-18 ps/(nm·km)。除WDM尾纖外,所有器件的尾纖為單模光纖(SMF),色散值為17 ps/(nm·km)。整體腔長為26.9 m,對應的基頻重復率為7.64 MHz。一個80∶20的光纖耦合器(OC)將20 %的光信號輸出到腔外用于監測。光譜和脈沖序列分別用光譜儀(Anritsu MS9740A)與示波器(Agilent MSO6104A)來記錄。脈沖寬度用自相關儀(Femtochrome FR-103XL)來測量。

圖1 基于NPR鎖模的雙波長可切換飛秒光纖激光器實驗裝置圖

由于腔內NPR誘導的梳狀濾波效應,在實驗中無需任何波長選擇元件即可實現雙波長和波長可切換操作。腔內梳狀濾波效應的傳輸函數可表示為[18]:

T=cos2θ1cos2θ2+sin2θ1sin2θ2+

(1)

式中,θ1和θ2分別表示為起偏器、檢偏器與光纖快軸之間的夾角；ΔφL、ΔφNL分別為線性相移和非線性相移,可用下式表示:

(2)

其中,L為激光器的總腔長;P為輸入信號的瞬時功率;λ為工作波長;ny為光纖快軸的折射率;nx為光纖慢軸的折射率;ny-nx表示腔內雙折射的大小;λAeff為有效的光纖纖芯的面積。由式(1)可知透射系數隨波長呈周期性變化,因此,它可以被視為一個光譜梳狀濾波器,其通道間距取決于腔內雙折射大小。偏振控制器的旋轉可以改變腔的雙折射和θ1、θ2的角度。因此,可以通過旋轉偏正控制器來調節腔內雙折射誘導的梳狀濾波器的譜間距和透射峰位置。

3 實驗結果

3.1 基頻鎖模

當泵浦源功率升至50 mW左右時,可以觀察到光譜儀上有連續波出現。繼續增加泵浦功率同時調節偏振控制器,當功率逐漸增加到170 mW時,可以在光譜儀上觀察到典型的反常色散域鎖模光譜,如圖2(a)所示,四級克利邊帶對稱分布在光譜兩側,其中心波長為1562.1 nm,3 dB帶寬為4.74 nm。相應脈沖如圖2(b)所示,可以看出脈沖比較穩定且強度相等,相鄰脈沖之間的間隔為0.131 μs。自相關跡如圖2(c)所示,脈沖寬度為0.81 ps,在雙曲正割型擬合近似下,時間帶寬積約為0.47,略大于極限狀態下的0.315,表明輸出脈沖含有少量啁啾。射頻譜如圖2(d)所示,射頻譜儀的掃寬范圍為2 MHz,可以看出,該鎖模狀態下的信噪比為49.35 dB,峰值位于7.64 MHz,與實驗搭建的腔重復率相吻合。

3.2 雙波長可切換鎖模

非線性偏振旋轉鎖模是依賴于光在光纖中傳輸過程中的偏振旋轉對光強的不均勻性來實現鎖模的一種技術。基于NPR結構的光纖激光器,需要在腔內兩個偏振控制器之間放置偏振相關隔離器,等效構成了一個Lyot濾波器,因此其腔內透射特性不僅與光強和偏振控制器狀態有關,而且隨工作波長呈周期變化,產生梳狀的光譜濾波效應[19]。實驗中,通過調節偏振控制器,NPR誘導的與波長相關的不均勻損耗有效地抑制了模式競爭,結合利用NPR誘導的梳狀濾波效應,進行多波長選擇,最終實現雙波長同時鎖模以及可切換鎖模。進一步增加泵浦功率并調節偏振控制器,在泵浦功率達到235 mW時可以出現雙波長鎖模,如圖3(a)所示。可以看出光譜出現兩個峰值,中心波長分別位于1533.2 nm和1557.2 nm處,3 dB帶寬分別為5.7 nm與5.63 nm,波長間隔約為24 nm,由腔內的雙折射大小決定。兩個波長的光譜具有明顯的克利邊帶,呈現出典型的常規鎖模光譜輪廓,由于相干干涉的原因,在兩個波長之間區域出現強烈的干涉峰。脈沖序列如圖3(b)所示,在示波器上可以觀察到兩組脈沖序列,分別對應于兩個不同波長處的鎖模。脈沖強度基本保持一致,脈沖時域間隔為0.131 μs,對應于腔的往返時間,說明了激光器工作在基頻狀態。注意的是,受射頻譜儀分辨率的限制,只能在7.64 MHz處觀測到一個射頻峰。

保持泵浦功率不變,通過調節偏振控制器來控制各波長的透射特性,可以很容易的在光譜儀上觀察到雙波長可切換的鎖模狀態。如圖4(a)和4(d)所示,激光器分別在1532.6 nm和1558.4 nm處實現單一波長的單獨鎖模,其光譜位置和輪廓與圖3(a)中對應的雙波長光譜非常吻合,謹慎地調節偏振控制器,鎖模位置可以在兩個波長間來回切換。對應的光譜3 dB帶寬分別為5.53 nm和4.69 nm。從圖4(b)和4(e)可以觀察整齊的脈沖序列輸出,脈沖重復率為7.64 MHz,脈沖強度一致且間隔均勻,說明在室溫下可切換鎖模運行穩定。自相關跡如圖4(c)和4(f)所示,假設脈沖為雙曲正割型,測得的脈沖寬度分別為730 fs和890 fs,可以計算出時間帶寬積分別為0.516和0.424,說明輸出脈沖含有一定的啁啾。

3.3 多脈沖鎖模

多脈沖是鎖模激光器一種常見的運行狀態。當泵浦功率超過一定的閾值時,由于孤子能量量化效應和峰值鉗制效應[20],單脈沖會分裂形成多脈沖。在實驗中,我們在功率為212 mW時獲得單孤子鎖模,在此狀態下,保持偏振控制器的狀態不變,逐漸增加泵浦功率超過212 mW時,可以得到不同數目的多脈沖狀態。如圖5所示,在多脈沖產生的過程中,光譜形狀基本上沒有發生太大變化,而在示波器上可實時觀察到脈沖數目會隨著泵浦能量的增大而增多。如圖5(a)所示,鎖模光譜中心波長位于1560.9 nm,3 dB帶寬為4.29 nm。通過增加泵浦功率,保持腔內其他條件不變,可以得到如圖5(b)不同功率下的鎖模多脈沖,隨著泵浦功率的增加,脈沖的個數也在增加,分別為1個、2個、3個、4個,由于能量量化效應,各個脈沖的強度近似一致。實驗中最多可以觀察到7個脈沖。當泵浦功率增加到320 mW時,多脈沖會出現混沌態直至消失。

4 結 論

本文搭建了一個基于NPR結構的雙波長可切換飛秒鎖模光纖激光器,腔長為26.9 m,重復率為7.64 MHz。基于腔內NPR誘導的梳狀濾波效應,實驗中,在中心波長1532 nm和1558 nm處,實現了雙波長鎖模以及可切換鎖模,波長間隔約為26 nm,在不同的波長位置分別獲得730 fs和890 fs鎖模脈沖。此外,通過調節泵浦功率和偏振控制器,在光纖激光器中還獲得了多脈沖鎖模。波長可切換激光光源在光纖通信系統中具有廣泛的應用前景,本文的研究為多樣化的可切換光源的設計提供了一定的借鑒。