基于復合式微納光纖鎖模器件的單腔多光頻梳技術研究

車韜，楊建軍，劉至立

（北京航空航天大學電子與信息工程學院，北京 100191）

0 引言

近年來，雙光頻梳測量技術由于其精度高、測量速度快等優勢在光譜學測量［1-2］、絕對頻率測量［3］、距離測量［4-5］、泵浦探測［6］等領域受到了研究者們的廣泛關注。單腔雙光頻梳光源相較傳統穩頻雙光頻梳光源復雜度更低，進一步推動了雙光頻梳測量技術的發展。研究者們將復用概念引入激光器的設計中，形成了以波長復用［7-8］、方向復用［9］、偏振復用［10-11］、波形復用［12］為代表的單腔雙光頻梳光源技術。其中，波長復用技術通過一定的光譜濾波技術對激光器的增益譜進行調控，然后結合相應的鎖模技術，最終實現多波長鎖模。隨著光譜濾波技術與鎖模技術的多樣化發展，波長復用式單腔雙光頻梳已成為了熱點研究方向。

2011年，趙欣［7］等人提出在環形摻鉺鎖模光纖激光器中引入可調衰減器實現對激光器增益譜調控的方案，該方案通過對損耗的調控，增加了增益譜的利用效率，從而實現了在1530 nm與1560 nm兩個區域的同時鎖模，兩個鎖模脈沖的寬度均為亞ps級。為了實現對增益譜的進一步調控，2016年趙欣［13］等人在環形摻鉺鎖模光纖激光器中插入帶有約0.25 m長的保偏光纖（PMF）尾纖的偏振分束器（PBS），結合腔內偏振控制器的調節，形成具有偏振干涉效應的Lyout濾波器，實現了1533 nm與1544 nm的鎖模。2018年，天津大學的胡明列［14］等人搭建了“9字”型摻銩鎖模光纖激光器，由于腔的不對稱性，使得順時針和逆時針運行的光在耦合器處產生干涉，從而形成Sagnac濾波器，分別在1917 nm和1981 nm處實現了穩定鎖模。除了上述傳統的光纖濾波形式，以多模干涉原理為基礎，采用熔融拉錐技術對光纖進行二次加工從而實現多模干涉濾波器的方案也受到了研究者們的關注。2016年，陳杰［15］等人使用絕熱的微納光纖濾波器和基于SWCNT-PDMS（單壁碳納米管-聚二甲基硅氧烷）混合物的可飽和吸收體（SA）實現了雙波長鎖模，其濾波器光譜周期約為5 nm，調制深度約為3%，當泵浦功率達到16.7 mW時，實現了中心波長分別為1559.6，1564.9 nm的鎖模（間隔為5.33 nm），其中1559.6 nm處3 dB光譜帶寬為1.0 nm，1564.9 nm處3 dB光譜帶寬為1.2 nm。同年，王亞洲［16］等人以10 mm/s的拉錐速度制作了微納光纖濾波器，該器件的插入損耗為2.9 dB，調制深度為3.61 dB，調制周期為7.3 nm，錐腰的直徑為7μm，在890 mW的泵浦功率下，實現了1956.8，1979.2 nm的鎖模，其中1956.8 nm處3 dB帶寬為2.32 nm，1979.2 nm處3 dB帶寬為2.04 nm。雙波長周期是濾波器調制周期的三倍，這是由于摻Tm3+光纖的增益帶分布不均勻造成的。

另一方面，利用石墨烯、碳納米管等材料對微納光纖進行沉積，可以實現損傷閾值更高，可更穩定鎖模的光頻梳。2019年，楊慧冉［17］等人將碳納米管（CNT）和聚乙烯醇（PVA）細絲纏繞在微納光纖表面制作SA，該SA具有高損傷閾值，在腔內平均功率高于100 mW的條件下連續運行幾個小時，光纖激光器的輸出特性沒有明顯變化。

針對傳統波長復用技術需要高性能濾波、鎖模器件的問題，基于模間干涉和光沉積原理，研制了一種基于微納光纖的復合式器件，通過熔融拉錐進行濾波器的制作，并在此基礎上利用滴涂CNT的方式實現SA的制作。將該復合器件應用于環形腔中并開展雙梳鎖模實驗，對其濾波及鎖模效果進行驗證。

1 實驗原理

根據微納光纖錐腰半徑隨長度變化快慢不同而導致基模傳輸特性的不同，光纖錐可分為兩種類型：絕熱型和非絕熱型。絕熱型光纖錐的過渡區域的錐角足夠小且變化非常緩慢，整個區域的變化坡度平緩。絕熱型的錐型光纖幾乎不會產生多模干涉效應，只要拉制過程足夠緩慢，就可以滿足絕熱條件。非絕熱型光纖錐的過渡區域的錐角非常大且快速變化，整個區域的變化坡度相對陡峭。光信號在未到達錐區時，以基模（HE11）形式在纖芯中傳播；拉錐過程會使光纖的半徑a逐漸變細，使得纖芯外部介質由包層變為空氣，包層的折射率ncl變小，歸一化頻率V逐漸增大。V的計算公式為

式中：k0=2π/λ，λ為入射光的波長；nco為光纖纖芯的折射率。當纖芯的歸一化頻率大于2.405時，激發了許多高階模。信號光在通過錐區后，纖芯傳播的基模會與高階模發生耦合，由于基模與高階模所處的環境不同，所以走過的光程也不同，在耦合處會產生光程差，產生干涉濾波現象［18］。一般采用絕熱型光纖錐制作鎖模器件，采用非絕熱型光纖錐制作濾波器。

實現雙波長鎖模除了依靠濾波器，還需要依靠SA作為鎖模器件。SA在緊湊性、簡單性、靈活性和更短的脈沖持續時間方面具有獨特優勢。迄今為止，已經報道了多種具有飽和吸收特性的材料，包括石墨烯［19］、黑磷（BP）［20］、過渡金屬二硫屬化物（TMDs）［21］、拓撲絕緣體（TIs）［22］、二維過渡金屬碳化物或氮化物（MXenes）［23］、碳納米管（CNT）［24-25］等。CNT具有高非線性、低飽和強度、亞皮秒弛豫時間、寬工作帶寬和1567 nm處的吸收峰與摻鉺光纖激光器（EDFL）的光譜相匹配等優勢。2007年，Kieu［24］在絕熱微納光纖的表面涂了一層低折射率SWCNT-PDMS混合物，利用這種方式制作的可飽和吸收體實現了1530 nm鎖模。本課題組也使用該結構實現了非常優秀的鎖模效果。與絕熱微納光纖結構相比，使用非絕熱結構進行光學沉積，不僅可以有效利用其產生的濾波特性，同時還可以利用沉積CNT之后的可飽和吸收特性。

2 復合器件制作

微納光纖的腰部直徑對濾波器的性能有至關重要的影響。為實現更好的波長選擇功能，首選調制深度大、插入損耗低的濾波器。為了制作非絕熱型微納光纖，要求拉錐速度相對較大，使得錐形光纖從過渡區至錐腰區的斜率變大，從而增大模式間的干涉，使得濾波效應更加明顯。對0.5~1 mm/s拉錐速度進行優化（低于0.5 mm/s為絕熱型），隨著拉錐速度的增大，相同拉伸長度下的錐區直徑逐漸變小，損耗逐漸增大，當拉錐速度超過1 mm/s時容易發生斷裂，當拉錐速度小于0.6 mm/s時會產生較大的錐區直徑，不利于光沉積。最終選取0.8 mm/s作為最佳拉錐速度，在此拉錐速度下對2~5 mm的拉伸長度進行優化（當拉伸長度超過5 mm時容易發生斷裂，拉伸長度過短則不利于倏逝場的溢出）。隨著拉伸長度的增加，錐區直徑逐漸變小，損耗逐漸增大，且自由光譜程（FSR）與長度成反比［16］，為了獲得低損耗、大FSR的雙波長鎖模器件，最終以0.8 mm/s的拉伸速度，4 mm的拉伸長度進行熔融拉錐，圖1（a）為使用光學顯微鏡拍攝到的微納光纖圖像（放大5倍），可以看到該器件非常明顯的過渡區（非絕熱），其中腰部直徑為6.66 nm。使用放大自發輻射（ASE）光源測量微納光纖在1525~1575 nm范圍內的光譜響應，如圖1（c），可以看到微納光纖器件的濾波周期為10 nm，插入損耗為3 dB，調制深度為4 dB。插入損耗的大小與微納光纖的直徑相關，隨著微納光纖的腰部直徑減小，調制深度將增大，插入損耗也將增加［16］。將拉好的錐使用光沉積法（沉積功率為10 mW，沉積時間為5 s，CNT濃度為0.1%）制作可飽和吸收體，沉積之后的顯微圖像（放大10倍）如圖1（b）所示，可以看到光纖表面吸附的CNT。沉積之后使用ASE測得其透射譜如圖1（c）所示，可以看到沉積之后微納光纖器件的濾波周期仍為10 nm，只是調制深度相較于沉積之前有所減小，這是由于CNT沉積到微納光纖表面之后折射率發生了變化。之后測試復合器件的偏振敏感性，結果如圖1（d）所示，可以看到PC1狀態下對應波谷為1529.6 nm，PC2狀態下對應波谷為1529.8 nm，PC3狀態下對應波谷為1529.6 nm，在不同偏振狀態下光譜漂移均小于0.2 nm，證明該復合器件對偏振不敏感。

圖1 微納光纖腰部顯微圖像、透射譜及偏振不敏感測試Fig.1 Waist micrograph,transmission spectrum and polariza‐tion insensitivity test of micro/nano fiber

3 基于復合器件的雙梳實驗裝置

為了測試該復合器件的多波長鎖模能力，搭建了如圖2所示的環形激光器結構（激光器總長度約為8.54 m）。以980 nm半導體激光器作為泵浦光源，產生的泵浦光通過980/1550波分復用器（WDM）耦合到2.3 m長的摻餌光纖（EDF）（型號為Er1022）內。在EDF之后放置一個光隔離器（ISO）以確保光在腔內的單向傳播。經過80/20光耦合器（OC）后，80%的光返回腔內，20%的激光輸出用于觀測。可調光衰減器用于調節腔內損耗，其可調范圍約為0~30 dB。偏振控制器（PC）用于調整偏振狀態。

圖2 雙梳激光裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of dual-comb laser setup

實驗得到腔內凈色散約為0.01 ps/nm，表明激光器在反常色散狀態下運行。激光輸出的光譜由光譜分析儀（型號為Agilent 86142B）測量。脈沖序列由實時示波器（型號為Infiniium MS07054A，500 MHz）通過1 GHz光電探測器（型號為New Focus 1611）檢測，其射頻頻譜由安捷倫N9320B頻譜分析儀測量。

4 雙波長鎖模

將泵浦功率調整至19 mW，并使用可調衰減器引入2 dB的損耗，可以實現1543，1555 nm的雙波長鎖模。在3 dB的附加損耗和20.4 mW的泵功率下，可以實現1532，1543 nm的雙波長鎖模。泵浦功率調整至21.7 mW，可調衰減器的損耗增加至4 dB，可以實現1532，1555 nm的雙波長鎖模。它們的光譜及射頻（RF）譜分別如圖3（a）和圖3（b）所示，可以看到濾波周期均為11 nm，與沉積完的透射譜濾波周期（10 nm）基本一致。

圖3 不同損耗雙光頻梳的頻域結果Fig.3 Frequency domain results of the dual-comb with different loss

5 三波長鎖模

通過調節腔內可調衰減器的損耗（3.8 dB）以及泵浦激光的功率，并配合偏振控制器的調整，即可輕松實現中心波長分別為1532，1543，1555 nm的三波長鎖模，如圖4所示，其中1532 nm處3 dB帶寬為3.2 nm，重復頻率f1=24.204572 MHz；1543 nm處3 dB帶寬為2.3 nm，重復頻率f2=24.205203 MHz；1555 nm處3 dB帶寬為3 nm，重復頻率f3=24.205776 MHz。圖4（b）中，1與2的重頻差f12=631 Hz，2與3的重頻差f23=573 Hz。

圖4 三光頻梳的時域及頻域結果Fig.4 Time domain and frequency domain results of the tri-comb

6 結論

針對波長復用式單腔多光頻梳傳統濾波器對偏振敏感、制作工藝復雜的問題，研制了一種基于微納光纖的復合式器件，該器件同時具有濾波與鎖模的功能，且對偏振不敏感，可用于實現可切換的雙波長鎖模以及三波長鎖模。該器件為光纖激光器中的多波長和可調諧模式鎖定提供了一種簡單而緊湊的解決方案，并為推動多光梳技術的進一步發展提供了有力支撐，具有技術應用與借鑒價值。