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        基于σ腔光纖鎖模激光器

        2013-06-25 06:53:02陳淑芬鄒正峰孟彥斌
        激光與紅外 2013年5期
        關(guān)鍵詞:鎖模調(diào)制器色散

        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(diǎn)。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(gè)周期的時(shí)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(diǎn)[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(diǎn)[2],但是脈寬一般會比被動鎖模激光器寬一點(diǎn)[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(jì)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(shí)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(jì)了激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù),構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)行測試,實(shí)驗(yàn)得到與仿真結(jié)果一致的結(jié)論。

        2 實(shí)驗(yàn)裝置

        σ型激光器的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)原理圖

        此結(jié)構(gòu)的激光器具有兩處明顯優(yōu)點(diǎn):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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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?yàn)閃DM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(gè)組件建模,然后初始信號設(shè)定為一個(gè)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(shí)候使用的是分布傅里葉的方法。

        以下是各個(gè)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(shí)間量度:

        式中,t是靜止坐標(biāo)系中的時(shí)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(xiàng)分別是光脈沖在光纖中傳輸時(shí)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(xiàng)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(diǎn)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(xiàng)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(shí)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(shí)工作電壓;Vπ為調(diào)制器的半波電壓。

        調(diào)制器有兩個(gè)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(diǎn)。

        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(shí),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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?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(shí)候是一個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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.

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