双波长可切换飞秒锁模光纤激光器

孙梦秋,汪徐德,杨思敏,梁勤妹

(淮北师范大学物理与电子信息学院,安徽 淮北 235000)

1 引 言

被动锁模光纤激光器因结构简单、转换效率高、光束相干度大、光源质量好等优点,一直受到人们极大的关注。除了可以作为优质的脉冲光源,光纤激光器还可以作为理想的非线性光学系统平台,用来观察和研究各种孤子动力学行为。到目前为止,真实材料可饱和吸收体和类可饱和吸收体被广泛应用于锁模激光器中以实现脉冲孤子输出。借助与这些锁模器件,在光纤激光器中已获得了各种类型的孤子脉冲,如传统孤子、耗散孤子[1]、多波长锁模[2]、可切换锁模[3-4]、多脉冲锁模[5]等。相比于真实材料可饱和吸收体,利用类可饱和吸收体特别是利用非线性偏振旋转技术进行锁模,因其结构简单紧凑,损伤阈值高,具有全光纤结构,被认为是产生孤子脉冲最成熟最有效的方式[6-7]。

随着激光技术的发展,非线性偏振旋转型光纤激光器在超短脉冲宽度,单脉冲能量,脉冲重复率,多波长可切换可调谐等各项性能指标不断提高。为了提高通信容量,满足基于波分复用大容量通信网的要求,多波长锁模激光器以及多波长可切换锁模光纤激光器成为目前的研究热点[8-10]。相比于单一波长锁模光纤激光器,多波长锁模光纤激光器可以做到同一激光器同时在双波长或多波长产生超短脉冲。迄今为止,为了实现多波长工作,研究者们往激光腔中加入一些辅助光学器件,如光纤布拉格光栅[11]、保偏光纤[12]、马赫-曾德(M-Z)干涉仪[13]等,在腔中产生滤波效应,迫使激光器在特定的波长振荡。Liu X等人报告了一个基于光纤布拉格光栅的紧凑的纳米管锁模全光纤激光器,在1540 nm、1550 nm和1560 nm处实现了同时三波长锁模操作[14]。Gong Y D等人提出在环形光纤激光器中插入两段保偏光纤,观察到1558 nm和1570 nm双波长超短脉冲输出[15]。H.Ahmad等人提出了一种使用可调谐马赫曾德尔滤波器和石墨烯饱和吸收器作为锁模元件的超快光谱可调谐光纤激光器,实现了光谱中心波长为1551 nm到 1570 nm的可调谐锁模[16]。但是这些辅助器件不仅会增加光纤激光器系统的复杂度,还使得光纤激光器缺乏灵活的操作性。为了降低激光器的复杂度,可以直接采用非线性偏振旋转(NPR)技术在腔内诱导梳状滤波效应来实现多波长锁模,一方面NPR结构既可以作为一个等效的 Lyot滤波器,实现多波长滤波,另一方面NPR结构还可作为锁模器件,其诱导的强度相关损耗,可以有效地抑制掺铒光纤激光器中的模式竞争,能在常温条件下获得稳定的双波长或多波长锁模输出[17]。尽管已有很多关于NPR锁模的多波长锁模光纤激光器的实验观察,但对激光器中多波长可切换操作的孤子动力学行为的研究依然具有一定的探索意义。

本文报道了基于NPR锁模的双波长可切换飞秒锁模光纤激光器。得益于NPR诱导的梳状滤波效应,光纤激光器不仅在1533.2 nm和1557.2 nm处同时实现锁模,并且通过调节偏振控制器,在这两个波长间还实现了可切换操作,波长间隔为24 nm,脉冲宽度分别为730 fs和890 fs。此外,实验中还观察多脉冲锁模。实验结果有助于人们深入了解双波长可切换锁模光纤激光器的动力学特性。

2 实验装置

图1为基于NPR锁模双波长可切换飞秒锁模光纤激光器原理示意图。为了构成非线性偏振旋转效应,在两个偏振控制器(PC)之间放置一个偏振相关隔离器(PD-ISO),偏振控制器用于调节光的偏振态,而偏振相关隔离器起到光的单向隔离和起偏器的作用。泵浦源为980 nm的台式半导体激光器,通过980/1550 nm的波分复用器(WDM)对6 m的掺铒光纤(EDF)进行泵浦,其中掺铒光纤的色散系数为-18 ps/(nm·km)。除WDM尾纤外,所有器件的尾纤为单模光纤(SMF),色散值为17 ps/(nm·km)。整体腔长为26.9 m,对应的基频重复率为7.64 MHz。一个80∶20的光纤耦合器(OC)将20 %的光信号输出到腔外用于监测。光谱和脉冲序列分别用光谱仪(Anritsu MS9740A)与示波器(Agilent MSO6104A)来记录。脉冲宽度用自相关仪(Femtochrome FR-103XL)来测量。

图1 基于NPR锁模的双波长可切换飞秒光纤激光器实验装置图

由于腔内NPR诱导的梳状滤波效应,在实验中无需任何波长选择元件即可实现双波长和波长可切换操作。腔内梳状滤波效应的传输函数可表示为[18]:

T=cos2θ1cos2θ2+sin2θ1sin2θ2+

(1)

式中,θ1和θ2分别表示为起偏器、检偏器与光纤快轴之间的夹角；ΔφL、ΔφNL分别为线性相移和非线性相移,可用下式表示:

(2)

其中,L为激光器的总腔长;P为输入信号的瞬时功率;λ为工作波长;ny为光纤快轴的折射率;nx为光纤慢轴的折射率;ny-nx表示腔内双折射的大小;λAeff为有效的光纤纤芯的面积。由式(1)可知透射系数随波长呈周期性变化,因此,它可以被视为一个光谱梳状滤波器,其通道间距取决于腔内双折射大小。偏振控制器的旋转可以改变腔的双折射和θ1、θ2的角度。因此,可以通过旋转偏正控制器来调节腔内双折射诱导的梳状滤波器的谱间距和透射峰位置。

3 实验结果

3.1 基频锁模

当泵浦源功率升至50 mW左右时,可以观察到光谱仪上有连续波出现。继续增加泵浦功率同时调节偏振控制器,当功率逐渐增加到170 mW时,可以在光谱仪上观察到典型的反常色散域锁模光谱,如图2(a)所示,四级克利边带对称分布在光谱两侧,其中心波长为1562.1 nm,3 dB带宽为4.74 nm。相应脉冲如图2(b)所示,可以看出脉冲比较稳定且强度相等,相邻脉冲之间的间隔为0.131 μs。自相关迹如图2(c)所示,脉冲宽度为0.81 ps,在双曲正割型拟合近似下,时间带宽积约为0.47,略大于极限状态下的0.315,表明输出脉冲含有少量啁啾。射频谱如图2(d)所示,射频谱仪的扫宽范围为2 MHz,可以看出,该锁模状态下的信噪比为49.35 dB,峰值位于7.64 MHz,与实验搭建的腔重复率相吻合。

3.2 双波长可切换锁模

非线性偏振旋转锁模是依赖于光在光纤中传输过程中的偏振旋转对光强的不均匀性来实现锁模的一种技术。基于NPR结构的光纤激光器,需要在腔内两个偏振控制器之间放置偏振相关隔离器,等效构成了一个Lyot滤波器,因此其腔内透射特性不仅与光强和偏振控制器状态有关,而且随工作波长呈周期变化,产生梳状的光谱滤波效应[19]。实验中,通过调节偏振控制器,NPR诱导的与波长相关的不均匀损耗有效地抑制了模式竞争,结合利用NPR诱导的梳状滤波效应,进行多波长选择,最终实现双波长同时锁模以及可切换锁模。进一步增加泵浦功率并调节偏振控制器,在泵浦功率达到235 mW时可以出现双波长锁模,如图3(a)所示。可以看出光谱出现两个峰值,中心波长分别位于1533.2 nm和1557.2 nm处,3 dB带宽分别为5.7 nm与5.63 nm,波长间隔约为24 nm,由腔内的双折射大小决定。两个波长的光谱具有明显的克利边带,呈现出典型的常规锁模光谱轮廓,由于相干干涉的原因,在两个波长之间区域出现强烈的干涉峰。脉冲序列如图3(b)所示,在示波器上可以观察到两组脉冲序列,分别对应于两个不同波长处的锁模。脉冲强度基本保持一致,脉冲时域间隔为0.131 μs,对应于腔的往返时间,说明了激光器工作在基频状态。注意的是,受射频谱仪分辨率的限制,只能在7.64 MHz处观测到一个射频峰。

保持泵浦功率不变,通过调节偏振控制器来控制各波长的透射特性,可以很容易的在光谱仪上观察到双波长可切换的锁模状态。如图4(a)和4(d)所示,激光器分别在1532.6 nm和1558.4 nm处实现单一波长的单独锁模,其光谱位置和轮廓与图3(a)中对应的双波长光谱非常吻合,谨慎地调节偏振控制器,锁模位置可以在两个波长间来回切换。对应的光谱3 dB带宽分别为5.53 nm和4.69 nm。从图4(b)和4(e)可以观察整齐的脉冲序列输出,脉冲重复率为7.64 MHz,脉冲强度一致且间隔均匀,说明在室温下可切换锁模运行稳定。自相关迹如图4(c)和4(f)所示,假设脉冲为双曲正割型,测得的脉冲宽度分别为730 fs和890 fs,可以计算出时间带宽积分别为0.516和0.424,说明输出脉冲含有一定的啁啾。

3.3 多脉冲锁模

多脉冲是锁模激光器一种常见的运行状态。当泵浦功率超过一定的阈值时,由于孤子能量量化效应和峰值钳制效应[20],单脉冲会分裂形成多脉冲。在实验中,我们在功率为212 mW时获得单孤子锁模,在此状态下,保持偏振控制器的状态不变,逐渐增加泵浦功率超过212 mW时,可以得到不同数目的多脉冲状态。如图5所示,在多脉冲产生的过程中,光谱形状基本上没有发生太大变化,而在示波器上可实时观察到脉冲数目会随着泵浦能量的增大而增多。如图5(a)所示,锁模光谱中心波长位于1560.9 nm,3 dB带宽为4.29 nm。通过增加泵浦功率,保持腔内其他条件不变,可以得到如图5(b)不同功率下的锁模多脉冲,随着泵浦功率的增加,脉冲的个数也在增加,分别为1个、2个、3个、4个,由于能量量化效应,各个脉冲的强度近似一致。实验中最多可以观察到7个脉冲。当泵浦功率增加到320 mW时,多脉冲会出现混沌态直至消失。

4 结 论

本文搭建了一个基于NPR结构的双波长可切换飞秒锁模光纤激光器,腔长为26.9 m,重复率为7.64 MHz。基于腔内NPR诱导的梳状滤波效应,实验中,在中心波长1532 nm和1558 nm处,实现了双波长锁模以及可切换锁模,波长间隔约为26 nm,在不同的波长位置分别获得730 fs和890 fs锁模脉冲。此外,通过调节泵浦功率和偏振控制器,在光纤激光器中还获得了多脉冲锁模。波长可切换激光光源在光纤通信系统中具有广泛的应用前景,本文的研究为多样化的可切换光源的设计提供了一定的借鉴。