低阈值锁模状态可转换的全保偏光纤激光器

袁 泉，王天枢，马万卓，林 鹏，纪海莹，熊 浩

（1.长春理工大学 空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022；2.长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022）

引言

在过去的几十年中，被动锁模超快光纤激光器由于结构简单、体积小、脉冲极窄、易调谐等优点被广泛应用在光纤传感、光学频率测量、材料加工、长距离测距和自由空间光通信等领域[1-5]。然而早期的超快脉冲光源仅限应用在如实验室等非常稳定的环境，但是大量实际需求需要光源能够在不稳定甚至恶劣的条件下工作，如工厂、飞机、车间等。与普通光纤相比，保偏光纤具有更强的抵抗外界应力特性，从而保持腔内光脉冲的偏振状态不变。因此，由全保偏光纤器件组成的谐振腔结构可以在很大程度上屏蔽环境的干扰，例如振动或温度、湿度和气压的变化等。全保偏光纤激光器能够为多领域提供稳定的脉冲光源，因此开展对全保偏光纤激光器的研究和优化是具有实际应用价值的。

全保偏光纤激光器可使用可饱和吸收体进行锁模，例如碳纳米管[6]、石墨烯[7]和可饱和吸收镜[8]。但是，可饱和吸收体材料通常具有局限性，它们的损伤阈值低，且化学性能会随着时间的推移而发生退化[9]。与饱和吸收体相比，非线性光学环形镜（NOLM）和非线性放大环形镜（NALM）锁模结构具有更高的损伤阈值和更短的响应时间，因此，NOLM 和NALM 锁模机制也引起了更多研究人员的关注[10-14]

本文提出了一种基于NALM 结构的全保偏九字腔光纤激光器。由于相移器的使用，降低了谐振腔的锁模阈值，在泵浦功率达到120 mW 时便能够实现自启动的孤子锁模，所对应的脉冲宽度为614.6 fs，重复频率为11.1 MHz。之后逐渐增大泵浦功率到470 mW，实现了中心波长位于1 530.2 nm的类噪声脉冲输出，调节泵浦功率后最大输出功率为73.9 mW，对应的单脉冲能量为6.66 nJ。最后将泵浦功率固定为600 mW，测量了激光器1 h 的稳定性，证明该结构具有高度稳定性。整个保偏结构具有低阈值、可自启动、锁模模式可切换、输出的锁模脉冲能量高等优点，具有广泛的应用价值。

1 相移器在NALM 结构中降低锁模阈值原理

实验中所使用的九字腔的工作原理如图1所示。该结构基于2×2 耦合器，分光比为α：（1-α）。假设入射光从端口1 进入结构，经过耦合器会分成两束相反方向的光，则逆时针方向对应光的透射方向，顺时针方向对应光的反射方向。在我们的实验结构中，透射方向对应着输出，反射方向的光在谐振腔内经过反射镜反射会再次以入射光进入双向环路中。九字腔结构的反射率与环中两个相反方向的光的非线性相移差之间的关系可以表示为[15-16]

图1 加入相移器后NALM 结构原理图Fig.1 Schematic diagram of NALM structure after adding phase shifter

式中：Ein和Eout1分别代表输入光和输出反射光的强度;ΔφNL=|Ein|2×2πn2L/λ 和Δφ0表示非线性相移差和线性相移;α为耦合器分束比；L是环路中光纤的长度；n2是非线性克尔系数；λ是入射光的波长；R是反射率。加入移相器实质是在环路中加入一个线性相移Δφ0（Δφ0=-1/2π），然后该结构中的反射率与非线性相移差之间的关系变为

九字腔结构相当于人工可饱和吸收体，当脉冲的反射率达到最大值时，脉冲中心高能量部分被反射，而脉冲两翼部分被透射从而实现对脉冲的窄化作用，完成锁模。保偏九字腔激光器中反射率与非线性相移差ΔφNL之间的关系可用（3）式进行数值模拟，其中α为0.5，Δφ0为-1/2 π。如图2所示，实线和虚线分别对应未插入相移器和插入相移器后的关系曲线。当非线性相移差（ΔφNL）为零时，它对应于连续光的工作状态，而较高的ΔφNL可以对应于脉冲光的工作状态。在未使用相移器时，为了达到反射率最大值，谐振腔需积累大量的非线性相移差，一般会通过增加腔长和增大泵浦功率来实现，使得激光器具有很高的锁模阈值。在实验中，结构里插入了-1/2 π 的线性相移，如图2所示，相当于使整个反射率曲线向右平移。因此，腔内仅需积累所插入的线性相移量的非线性相移差就能达到反射率的最大值，从而实现锁模阈值的降低。

图2 反射率随非线性相移差变化的仿真结果Fig.2 Simulation results of reflectivity changing with nonlinear phase shift difference

2 实验结构与工作原理

低阈值、可实现锁模状态转换的全保偏九字腔光纤激光器的实验结构如图3所示。实验结构由一个环形腔和一个线性腔两部分组成。采用980 nm 半导体激光器通过一个980 nm/1 550 nm 波分复用器（wavelength division multiplexer,WDM）耦合进0.7 m 长的保偏掺铒增益光纤（polarizationmaintaining gain erbium-doped fiber,Liekki,Er80-4/125-HD-PM,PM-EDF），增益光纤的群速度色散为-29.3 ps/nm/km。环路中包含一段15 m 的保偏单模光纤和具有-1/2π 相位延迟的保偏反射型相移器。相移器的使用可减小锁模所需要的非线性相移差，从而缩短腔体长度。线形腔的尾端接入一个光纤型反射镜，实现对环路反射出的光脉冲的再次反射，作为输入光进入环路。环路与线性腔通过2×2 的3 dB 耦合器相连构成九字腔从而实现锁模，其中一个端口作为输出端。

输出的锁模脉冲光谱通过分辨率为0.02 nm的光谱分析仪（OSA,Yokogawa AQ6375）进行观察。时域上的脉冲信号通过2.5 GHz 示波器（OSC,Agilent DSO9254A）与1.5 μm 的光电探测器组合来观测。频域上的脉冲信号通过频谱分析仪（Agilent N1996A,FSA）观测，其频率探测范围为100 kHz至3 GHz。可通过自相关仪（SHG FS Photonics Technology Co.，Ltd.，FR-103XL）测量脉冲的自相关曲线。

3 实验结果与讨论

实验中，泵浦功率增加至120 mW 时，达到锁模阈值实现了自启动锁模。激光器输出的锁模脉冲的光谱如图4（a）所示，光谱具有围绕中心波长对称分布的Kelly 边带，表明该激光器工作在传统孤子锁模区域，其中心波长为1 530 nm，3 dB 带宽为5.2 nm。图4（b）为脉冲序列图，脉冲的周期为90.1 ns，与所用结构的腔长18 m 相对应。图4（c）显示了孤子脉冲的自相关曲线，其半高全宽为614.6 fs，假设由双曲正割形状拟合，通过计算可得输出脉冲的时间带宽积为0.41，接近于变换极限0.315。图4（d）为其频谱图，重复频率为11.1 MHz，经计算符合腔长18 m 和脉冲间隔90.1 ns，表明锁模处于基本锁模状态，信噪比为57 dB。从图4（d）的插图可以看出，频率稳定并且没有调制，输出的锁模脉冲的平均功率为1.2 mW。

图4 传统孤子锁模Fig.4 Conventional soliton mode-locking

在实现孤子锁模后，逐渐增加泵浦功率，腔体中的脉冲变得越来越不稳定。直到泵浦功率增加至470 mW 时获得了类噪声锁模脉冲，如图5所示。随着泵浦功率的增加，腔内的非线性也会迅速增大，非线性相移的过度积累会使每个短脉冲分裂成几个脉冲；同时，许多短脉冲又聚集在一个长包络中[17]。研究显示，类噪声脉冲由许多具有高峰值功率的超短脉冲组成，所以随着泵浦功率的增加，谐振腔内的传统孤子脉冲转换为类噪声脉冲。其光谱如图5（a）所示，中心波长为1 530.2 nm，3 dB 谱宽增加到17.1 nm。图5（b）为脉冲序列图，类噪声包络的持续时间为471 ps，脉冲间隔为90.1 ns。验证矩形脉冲的类型可以测量其自相关迹线，如图5（c）所示，在宽基底上有一个相干峰，表明激光器工作在类噪声锁模状态，通过高斯拟合，相干峰的半峰全宽约为307.4 fs。图5（d）为类噪声频谱图，其具有11.1 MHz 的重复频率，信噪比为60.7 dB。图5（d）的插图为大范围的射频（RF）频谱，在RF 频谱图中未发现调制现象，这表明激光器工作在稳定状态，在此状态下的输出功率为63.2 mW，脉冲能量为5.69 nJ。当泵浦功率从420 mW 增加到600 mW 时，输出功率可由63.2 mW增加到73.9 mW，所对应的脉冲能量由5.69 nJ 增加到6.66 nJ。

图5 类噪声锁模Fig.5 Noise-like mode-locking

最后将泵浦功率固定为600 mW，并记录1 h内激光输出功率和重复频率的稳定性，如图6 和图7所示。由于采用全保偏结构，输出光功率的峰峰值（PPV）波动小于1.9%，重复频率的峰峰值波动小于1.6%，证明了激光谐振腔的高度稳定性。

图6 输出功率1 h 稳定性Fig.6 Stability of output power within 1 h

图7 重复频率1 h 稳定性Fig.7 Stability of repetition rate within 1 h

4 结论

提出了一种具有低阈值、自启动的全保偏光纤激光器。由于结构中相移器的使用降低了谐振腔的锁模阈值，实现了从孤子锁模到类噪声脉冲的转换。泵浦功率达到锁模阈值120 mW 时，获得了中心波长为1 530 nm、3 dB 带宽为5.2 nm 的孤子锁模脉冲。在泵浦功率增加到470 mW 后，可获得位于1 530.2 nm 的类噪声脉冲，脉冲能量为5.69 nJ。最后记录1 h 内激光输出功率和重复频率的稳定性，输出光功率的峰峰值波动小于1.9%，重复频率的峰峰值波动小于1.6%，证明了整个结构具有高度稳定性。该保偏光纤激光器具有阈值低、可自启动、锁模模式可切换、输出的锁模脉冲能量高等优点，在超连续谱的产生、材料加工和光纤传感等领域具有广泛的应用价值。