程 威，陳淑芬，李 暉，付 雷，鄒正峰，孟彥斌

(北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京100081)

1 引言

在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中要求激光有高重復(fù)頻率，無脈沖缺失，較低的相位和振幅噪聲等特點。被動摻鉺光纖鎖模激光器很容易產(chǎn)生用于高比特率通信的脈寬為皮秒(ps)甚至飛秒(fs)級別的脈沖激光，但是它的脈沖循環(huán)超過一個周期的時候，很容易產(chǎn)生脈沖缺失、多重脈沖和不定脈沖間隔等缺點［1］。主動摻鉺光纖鎖模激光器擁有良好的相位穩(wěn)定性和無脈沖缺失的優(yōu)點［2］，但是脈寬一般會比被動鎖模激光器寬一點［3］。對于主動鎖模激光器來說，壓縮脈沖的方法主要是加大激光腔的長度和提高調(diào)制頻率。

Thomas F.Carruthers等人設(shè)計了一種σ腔光纖鎖模激光器［4］，具有優(yōu)良的性能，但是在激光器的環(huán)形部分卻是利用了保偏光纖和偏振分束器來與普通光纖相連接。此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，插入損耗大，不利于實現(xiàn)。本文在此基礎(chǔ)上，簡化了激光腔結(jié)構(gòu)。利用普通光纖代替保偏光纖，利用耦合器代替偏振分束器，使激光器結(jié)構(gòu)簡單、方便。并通過建立數(shù)學(xué)模型設(shè)計了激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)行測試，實驗得到與仿真結(jié)果一致的結(jié)論。

2 實驗裝置

σ型激光器的實驗裝置如圖1所示，980 nm的泵浦光進(jìn)入WDM，經(jīng)過色散補(bǔ)償光纖后進(jìn)入摻鉺光纖，又經(jīng)過一個WDM(作用是從980 nm和1550 nm的混合光中把980 nm的光分離出來，這樣的設(shè)計可以類似于980 nm隔離器的作用，成本卻很低)，然后波長為1550 nm的光進(jìn)入環(huán)形器，由2端進(jìn)入3端，然后進(jìn)入偏振控制器和MZ相位調(diào)制器，從1端進(jìn)入2端后，沿著線性部分傳播，一直到90°法拉第反射鏡，波長為1550 nm左右的光全部被反射回來從而形成回路，反射回來的激光在分束比為2∶8的耦合器的20%處輸出。

圖1 實驗原理圖

此結(jié)構(gòu)的激光器具有兩處明顯優(yōu)點:①由于采取了非保偏光纖的σ腔，因此當(dāng)光在線性腔部分傳輸?shù)臅r候，在同樣長度的光纖上產(chǎn)生兩倍傳輸距離，從而可以在不加大光纖長度的條件下增大光在激光腔中循環(huán)一圈的路程，即增大了腔長，眾所周知，增加腔長可以減小縱模間隔，在同樣的調(diào)制頻率下，鎖模脈沖也就會越窄。簡而言之，在同樣的實驗條件(光纖長度、調(diào)制頻率等)下，σ腔比環(huán)形腔能夠?qū)崿F(xiàn)更窄的脈寬。并且在環(huán)形部分使用的是普通光纖則使得激光器結(jié)構(gòu)簡單，插入損耗小，而且容易搭建。②由于在線性腔末端采用90°法拉第旋轉(zhuǎn)鏡作為反射鏡，與環(huán)形腔部分共同構(gòu)成諧振腔。法拉第反射鏡令線性腔內(nèi)雙向傳播的光束偏振態(tài)正交，使光在腔內(nèi)傳播時不滿足駐波條件，無法形成駐波，有效地抑制了空間燒孔現(xiàn)象。此外，本實驗還可以進(jìn)行雙端泵浦或者單端泵浦的兩種泵浦方式。在雙端泵浦的情況下，必須要在WDM的980 nm端加上980 nm的隔離器，防止把980 nm的泵浦源打壞;在單端泵浦的情況下則不需要加980 nm激光的隔離器，因為WDM把980 nm的光從980 nm和1550 nm的混合光中分離出來了，可以有效地降低了成本，本文采用的是單端泵浦的方式。

3 主動鎖模摻鉺光纖激光器的理論和模擬仿真

采用脈沖跟蹤的方法，對激光器中的各個組件建模，然后初始信號設(shè)定為一個隨機(jī)信號，通過此模型，最后演變成超短鎖模脈沖。在求解非線性薛定諤方程的時候使用的是分布傅里葉的方法。

以下是各個組件的模型。

3.1 普通單模光纖和色散補(bǔ)償光纖

色散補(bǔ)償光纖、色散位移光纖和普通單模光纖等都稱為有損光纖。對于脈寬大于5 ps的脈沖，光在此類光纖中傳播可以用非線性薛定諤方程(NLS)來描述［5］:

式中，u為脈沖包絡(luò)的慢變振幅;T是隨脈沖以群速度νg移動的參考系中的時間量度:

式中，t是靜止坐標(biāo)系中的時間量度;νg是群速度;α是光纖的損耗系數(shù);β2是一階群速度色散;γ是光纖的非線性系數(shù)。方程等號右邊的三項分別是光脈沖在光纖中傳輸時的吸收效應(yīng)、色散效應(yīng)和非線性效應(yīng)。對于普通單模光纖和色散補(bǔ)償光纖來說，模型是一致的，只不過是方程等號右邊的色散項不同而已。

3.2 摻鉺光纖

對于脈寬大于5 ps的脈沖，在摻鉺光纖中光的傳輸方程也可以用普通光纖的非線性薛定諤方程(NLS)表示，不過需要做兩點替換:①將式中的損耗系數(shù)α用增益系數(shù)g代替;②摻鉺光纖放大器的引入會改變色散系數(shù)，即式中的第二項要做一定的修正:

式中，ω表示增益帶寬，則將式(1)轉(zhuǎn)換成:

而式中的增益系數(shù)g，由下式可以近似地給出［6－7］:

式中，g0為小信號增益系數(shù);ps(z)是坐標(biāo)z處的信號光的平均頻率;psat為信號光的飽和功率。

3.3 LiNbO3調(diào)制器

本文用的LiNbO3調(diào)制器是JDS Uniphase公司生產(chǎn)的OC－192型調(diào)制器。它是M－Z干涉型相位調(diào)制器，它通過干涉的方式使通過兩路的光產(chǎn)生相位上的偏移，然后干涉產(chǎn)生光強(qiáng)上的變化，即通過瞬時的工作電壓的變化而使光強(qiáng)度透過率發(fā)生變化。其調(diào)制曲線可以用下式來表示:

其中，αM是調(diào)制器的插入損耗;V是調(diào)制器的瞬時工作電壓;Vπ為調(diào)制器的半波電壓。

調(diào)制器有兩個插口:直流偏置信號Vbias和射頻調(diào)制信號VRF。直流偏置信號的作用是選取合適的靜態(tài)工作點。

其中，Vm和ω分別為射頻信號的振幅和頻率。

3.4 耦合器

光在通過光纖耦合器時，假如從1端口輸入的有比例為(1－σ)的部分出現(xiàn)在2端口，余下的σ部分出現(xiàn)在2端口，則有下面的傳輸矩陣來:

3.5 法拉第90°反射鏡

法拉第90°反射鏡選用中心波長為1550 nm，帶寬為±15 nm的反射鏡。對于此波段內(nèi)所有頻率的光都能讓偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°全反射回去，此實驗主要是利用其反射光的特性。表1是仿真中所用到的器件參數(shù)。

表1 仿真所使用的器件參數(shù)

利用上表格中的所有參數(shù)，用Matlab對此實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。

圖2 激光器模型仿真結(jié)果

光在光纖里開始的時候是一個隨機(jī)的紅色信號，隨著脈沖在激光腔里傳播，慢慢地就能產(chǎn)生鎖模脈沖。大約在200圈的時候產(chǎn)生穩(wěn)定的鎖模脈沖。在上述的仿真參數(shù)下，在基頻條件下可得到脈寬為900 ps左右的脈沖。

4 實驗結(jié)果和分析

按上述結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)搭建了激光器，在基頻調(diào)制下，得到了重復(fù)頻率為9.34 MHz的脈沖序列，如圖3所示。

圖3 示波器中顯示的激光脈沖序列

取示波器中的采樣數(shù)據(jù)，用Matlab對單個脈沖放大顯示，半高全寬約為980 ps，如圖4所示。

圖4 示波器顯示的激光脈沖的時間展寬圖

對于一般的光纖激光器來講，在不加入選模措施的情況下，輸出的激光總是多縱模的，并且它們之間沒有固定的相位關(guān)系。所謂鎖模就是在激光腔中加入特殊的調(diào)制，使多組縱模之間形成固定的相位差，這樣激光輸出是有固定相位關(guān)系的各縱模的相干疊加。輸出的激光的光強(qiáng)公式為:

其中，n為縱模數(shù)量;θ0為初相位;Ω為相鄰縱模之間的角頻率間隔。

因此，加大光纖長度，就縮小了縱模間隔，對于固定的增益譜，就會使鎖模脈沖的峰值功率變大，脈寬更窄。而對于調(diào)制頻率來說，增大調(diào)制頻率可以使更多的模式之間有固定的相位間隔，也可以縮短脈沖寬度。

總之，通過加大光纖長度和調(diào)制頻率倍增都會縮短脈寬。由于本實驗的光電轉(zhuǎn)換器件的限制，不能觀察到小于幾百皮秒(ps)的脈沖?？梢栽诒疚牡幕A(chǔ)上，增加激光腔長，增大調(diào)制頻率(一般會加到GHz)就會看到皮秒甚至是飛秒級別的脈沖輸出了。對于本文實驗裝置旨在改進(jìn)激光腔的參數(shù)。由于有線性部分，由于脈沖寬度與激光腔的長度成反比，在同樣的激光光程的條件下，線性腔比環(huán)形腔節(jié)省幾乎一半的光纖長度。因此可以大大優(yōu)化激光器的參數(shù)。

5 結(jié)論

本文優(yōu)化設(shè)計了一種σ腔光纖鎖模激光器，通過理論推導(dǎo)建立數(shù)學(xué)模型，在基頻下仿真得到脈寬為1 ns的鎖模脈沖，采用實驗對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證，得到了重復(fù)頻率為9.43 MHz(基頻)，脈寬980 ps的激光脈沖。理論與實驗結(jié)果相符。本文分析了此結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化激光器的參數(shù)，如果想要獲得更短的脈沖可以在本實驗的基礎(chǔ)上，加大光纖長度，增大調(diào)制頻率，可以進(jìn)一步縮短脈寬。

［1］ Yu Yongqin，Zheng Jiarong，Du Chenlin，et al.Research and progress of carbon nanotubes passively mode-locked fiber laser［J］.Laser ＆ Infrared，2011，41(9):953 －960.(in Chinese)于永芹，鄭家榮，杜晨林，等.碳納米管被動鎖模光纖激光器的研究進(jìn)展［J］.激光與紅外，2011，41(9):953－960.

［2］ C J Chen，PA Wai，CR Menyuk.Self-starting of passively mode-locked lasers with fast saturable absorbers［J］.Optics Letters，1995，20(4):350 －352.

［3］ Shunji Kishida，Koji Inoue，Kunihiko Washio.Negativefeedback power stabilization in a mode-locked Nd∶YAG laser［J］.Optics Letters，1980，5(5):191 －193.

［4］ F Thomas Carruthers，Duling N Irl III.1.3 ps erbium fiber laser employing soliton pulse shortening［J］.Optics Letters，1996，21(23):1927 －1929.

［5］ Young Jae Kim，Dug Young Kim.Wavelength switching in an actively mode-locked Fabry-Perot laser diode with a highly dispersive external cavity［J］.Applied Optics，2006，45(14):3361 －3366.

［6］ C JChen，PA K Wai，C R Menyuk.Soliton fiber ring laser［J］.Optics Letters，1992，17(6):417 －419.

［7］ Hermann A Haus，James G Fujimoto，Erich PIppen.Analytic theory of additive pulse and kerr lens mode locking［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1992，28(1):2086－2096.