石俊凱 王國名 黎堯 高書苑 劉立拓 周維虎2)?

1) (中國科學(xué)院光電研究院激光測量技術(shù)研究室,北京 100094)

2) (中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

(2018 年12 月5 日收到; 2019 年1 月21 日收到修改稿)

構(gòu)建了基于損耗非對稱非線性光學(xué)環(huán)鏡的8 字腔摻鉺光纖鎖模激光器,并討論了腔內(nèi)濾波帶寬對腔內(nèi)脈沖演化和激光器輸出特性的影響. 在非線性光學(xué)環(huán)鏡中引入雙向輸出耦合器,耦合器和傳輸光纖位置的不對稱產(chǎn)生非互易性,實現(xiàn)鎖模運轉(zhuǎn). 利用自制的可調(diào)諧濾波器實驗研究了濾波帶寬對激光器的影響. 當濾波帶寬為2.1 nm 時,腔內(nèi)脈沖的演化過程受濾波和孤子效應(yīng)的共同作用,激光器順時針和逆時針輸出脈沖半高全寬分別為583.7 fs 和2.94 ps. 隨著濾波帶寬增大,濾波的作用逐漸減弱,激光器兩路輸出脈沖參數(shù)逐漸接近,并接近傅里葉變換極限脈沖. 當濾波帶寬較大時,腔內(nèi)脈沖的演化過程受增益譜和孤子效應(yīng)的共同作用,激光器順時針和逆時針輸出脈沖均為變換極限脈沖,半高全寬約為440 fs. 通過調(diào)節(jié)濾波器中心波長實現(xiàn)了對激光器輸出脈沖光譜的連續(xù)調(diào)諧,調(diào)節(jié)范圍大于30 nm.

1 引 言

近年來,被動鎖模光纖激光器引起了大量關(guān)注[1?24]. 由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、成本低等優(yōu)點,該類激光器被廣泛應(yīng)用于光譜學(xué)、精密計量等領(lǐng)域.

目前常用的飽和吸收體(saturable absorber,SA)可分為材料SA 和基于光纖非線性效應(yīng)的等效SA. 材料SA 主要包括半導(dǎo)體SA[1,2]、碳納米管[3,4]、石墨烯[5,6]、拓撲絕緣體[7,8]等. 材料SA 具有自啟動性能好、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定、與保偏結(jié)構(gòu)兼容等優(yōu)點,受到人們的青睞. 但是材料SA 損傷閾值低,材料性能會隨著時間衰退,而且較慢的響應(yīng)速度會導(dǎo)致較大的相位噪聲,限制了激光器在精密測量領(lǐng)域的應(yīng)用. 基于光纖非線性效應(yīng)的等效SA 主要包括非線性偏振旋轉(zhuǎn)機制[9,10]、Mamyshev 振蕩器[11,12]和非線性光學(xué)環(huán)鏡(nonlinear optical loop mirror,NOLM)[13?15]. 相比于材料SA,該類SA 具有響應(yīng)速度快、噪聲低、損傷閾值高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點. 其中NOLM 可與保偏結(jié)構(gòu)兼容,是很好的選擇.NOLM 鎖模激光器通常需要一定的分束比,利用不同光強在環(huán)鏡內(nèi)沿相反方向傳輸積累的相位差啟動鎖模. 在NOLM 鎖模激光器中,大分束比會加快相位差積累,但同時也降低了調(diào)制深度. 隨后人們在NOLM 內(nèi)引入增益,構(gòu)成非線性放大環(huán)鏡[16?18],利用增益和傳輸光纖位置的不對稱性產(chǎn)生非線性相移,優(yōu)化了鎖模啟動性能. 近年來人們又陸續(xù)報道了基于色散非對稱[19,20]和損耗非對稱[21]NOLM 的光纖鎖模激光器. 此外在激光腔內(nèi)引入移相器[22?24]可顯著提高鎖模自啟動性能. 在NOLM 鎖模光纖激光器中,濾波器可以濾除拉曼頻移產(chǎn)生的長波成分,限制脈沖演化的邊界條件,在鎖模運轉(zhuǎn)中起到重要作用. 但是濾波參數(shù)對NOLM 光纖激光器鎖模運轉(zhuǎn)的影響很少報道.

本文首先在NOLM 中引入雙向輸出耦合器,形成損耗非對稱NOLM,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了8 字腔摻鉺光纖鎖模激光器,實現(xiàn)了自啟動單脈沖鎖模運轉(zhuǎn). 利用自制的可調(diào)諧濾波器實驗研究了濾波帶寬對激光器腔內(nèi)脈沖演化和輸出特性的影響. 當濾波帶寬較小時,腔內(nèi)脈沖的演化過程受到濾波和孤子效應(yīng)的共同作用,激光器兩路輸出脈沖參數(shù)差別較大. 當濾波帶寬較大時,腔內(nèi)脈沖的演化過程受增益譜和孤子效應(yīng)的共同作用,激光器兩路輸出脈沖參數(shù)趨于相同. 此外,通過調(diào)節(jié)濾波器中心波長實現(xiàn)了對激光器輸出脈沖光譜的連續(xù)調(diào)諧.

2 實驗裝置

激光器實驗裝置如圖1 所示. 采用分束比為50 : 50 的2 × 2 保偏光纖光學(xué)耦合器(optical coupler,OC1)作為激光器的樞紐,將OC1右側(cè)的兩根尾纖連接,構(gòu)成非線性光纖環(huán)鏡. 在光纖環(huán)路中引入分束比為10 : 90 的OC2作為雙向輸出耦合器,將光纖環(huán)鏡中沿相反方向傳輸?shù)膬墒す?0%的能量導(dǎo)出腔外作為激光器順時針(clockwise,CW)和逆時針(counter-clockwise,CCW)輸出.在環(huán)鏡中接入長為65 m 的保偏無源光纖(passive fiber,PF),其群速度色散為–0.022 ps2/m. 利用OC2產(chǎn)生的損耗和PF 在光纖環(huán)鏡中位置的非對稱性產(chǎn)生非線性相移. 將OC1左側(cè)的兩根尾纖連接,并依次接入保偏相關(guān)光學(xué)隔離器(optical isolator,OI)、保偏增益光纖和可調(diào)諧帶通濾波器(tunable bandpass filter,TBPF). 增益光纖采用長為2 m 的保偏摻鉺光纖(Er-doped fiber,EDF),群速度色散為–0.02 ps2/m. 抽運源采用兩個尾纖耦合輸出的單模激光二極管(laser diode,LD),中心波長均為976 nm. 激光器采用雙向抽運方式,抽運光通過兩個保偏尾纖波分復(fù)用器(wavelength division multiplexer,WDM)耦合進增益光纖,實現(xiàn)激光增益. 隔離器確保左側(cè)光纖環(huán)內(nèi)激光的單向運轉(zhuǎn). 濾波器采用自制的可調(diào)諧帶通濾波器,采用保偏尾纖導(dǎo)入導(dǎo)出,可實現(xiàn)濾波帶寬和中心波長的獨立連續(xù)調(diào)諧. 激光器腔內(nèi)凈色散約為–1.65 ps2.實驗中采用功率計(Thorlabs,PM100D)測量激光功率,由光譜儀(YOKOGAWA,AQ6370D)記錄光譜; 脈沖寬度由APE 公司的自相關(guān)儀(Pulse Check)測得; 鎖模脈沖序列和頻譜由數(shù)字示波器(KEYSIGHT,DSO9245A)、頻譜分析儀(KEYSIGHT,N9010A)結(jié)合光電二極管(Newport,Model 1811)進行監(jiān)測.

圖1 實驗裝置圖(LD,激光二極管; WDM,波分復(fù)用器;EDF,摻鉺光纖; OC,光學(xué)耦合器; OI,光學(xué)隔離器; TBPF,可調(diào)諧帶通濾波器; PF,被動光纖; OPCW/OPCCW,順時針/逆時針輸出輸出)Fig. 1. Experimental setup. LD,laser diode; WDM,wave length division multiplexer; EDF,Er-doped fiber; OC,optical coupler; OI,optical isolator; TBPF,tunable bandpass filter; PF,passive fiber; OPCW/OPCCW,clockwise/counterclockwise output.

為了檢測自制濾波器的濾波性能,按圖1 所示的結(jié)構(gòu)構(gòu)建不含濾波器的8 字腔激光器,以低功率抽運下輸出的自發(fā)輻射熒光作為測試光,其光譜如圖2(a)所示. 將濾波帶寬設(shè)定在最小值1.4 nm,通過調(diào)節(jié)可得到不同波長的濾波光譜,如圖2(b)所示,波長調(diào)節(jié)范圍為1532—1569.7 nm,且不同波長的光譜均呈現(xiàn)相同的光譜形狀. 將中心波長設(shè)定為1556 nm,圖2(c)為經(jīng)過不同濾波帶寬輸出的光譜. 由于測試光譜為非平頂光譜,當濾波帶寬較大時,濾波光譜的3 dB 譜寬無法準確表示濾波器的濾波帶寬(如圖2(d)所示). 因此,在本文中采用10 dB 譜寬標定濾波器的濾波帶寬. 圖2(c)中展示的濾波帶寬調(diào)節(jié)范圍為1.4—14.3 nm. 本文展示的波長和帶寬調(diào)節(jié)范圍受限于測試光譜. 事實上,該濾波器可實現(xiàn)更大的濾波帶寬和中心波長調(diào)節(jié)范圍.

3 實驗結(jié)果與分析

將濾波器按圖1 所示位置接入激光器,濾波帶寬設(shè)定為2.8 nm,中心波長設(shè)定為1556 nm. 當同向和對向抽運功率分別設(shè)定為280 mW 和400 mW時,激光器實現(xiàn)了自啟動單脈沖鎖模運轉(zhuǎn). CW 和CCW 輸出功率分別為8.4 mW 和8.6 mW,CW輸出功率略低于CCW 輸出,這是由NOLM 中的熔接損耗和傳輸損耗造成的. 由于耦合輸出和濾波器引入了較大的腔內(nèi)損耗,激光器光-光轉(zhuǎn)換效率僅為2.5%. 激光器鎖模輸出的脈沖特性如圖3所示.

圖2 濾波性能測試結(jié)果 (a)自發(fā)輻射光譜; (b)濾波帶寬設(shè)定為1.4 nm 條件下輸出可調(diào)諧濾波光譜; (c)濾波中心波長設(shè)定為1556 nm 條件下輸出帶寬調(diào)諧濾波光譜; (d)帶寬調(diào)諧濾波光譜3 dB 帶寬和10 dB 帶寬的對比Fig. 2. Test results of the spectral filtering performance: (a) Spontaneous emission spectrum; (b) the central wavelength tunable spectra with fixed bandwidth of 1.4 nm; (c) bandwidth tunable spectra with fixed central wavelength of 1556 nm; (d) comparison of 3 dB bandwidth and 10 dB bandwidth of bandwidth tunable spectra.

圖3 (a)為CW 和CCW 輸出脈沖的光譜,插圖為對數(shù)坐標下的光譜. CW 和CCW 光譜的3 dB譜寬分別為8.9 nm 和2.1 nm. CW 輸出光譜表現(xiàn)出明顯的不對稱性,長波區(qū)域的衰減速度明顯低于短波區(qū)域. 圖3(b)為CW 和CCW 輸出脈沖的自相關(guān)曲線,其半高全寬(full width half maximum,FWHM) 分別為815.7 fs 和3.08 ps. 假設(shè)脈沖為高斯型脈沖,對應(yīng)的脈沖FWHMs 為576.9 fs 和2.18 ps. 由于耦合輸出的位置與OC1十分接近,因此可以近似地將CCW 和CW 輸出脈沖當作NOLM 的輸入和輸出脈沖. 脈沖經(jīng)過OC1耦合進NOLM 后進入負色散傳輸光纖,在孤子效應(yīng)的作用下脈寬縮短,同時由于自相位調(diào)制的作用光譜得到展寬. 光譜展寬過程中,在拉曼效應(yīng)的作用下光譜呈現(xiàn)出非對稱性[25]. 當脈沖耦合出NOLM 后,經(jīng)過濾波,脈沖在頻域和時域迅速恢復(fù)到初始狀態(tài),形成自洽. 圖3(c)為激光器CW 和CCW 輸出的脈沖序列,脈沖間距均為365.8 ns. 圖3(d)為一次諧波射頻譜,插圖為0—50 MHz 范圍的射頻譜.激光器CW 和CCW 輸出脈沖的重復(fù)頻率為2.734 MHz,對應(yīng)的脈沖能量分別為3.07 nJ 和3.15 nJ. 激光器輸出的信噪比約為60 dB. 以上測量結(jié)果表明激光器實現(xiàn)了穩(wěn)定的單脈沖鎖模運轉(zhuǎn).

在激光器工作在鎖模狀態(tài)的條件下,通過手動調(diào)節(jié)濾波器的濾波帶寬,并記錄激光器輸出特性,如圖4 所示. 圖4(a)為CW 和CCW 輸出脈沖的時域FWHMs 和3 dB 譜寬隨濾波帶寬的變化曲線,圖4(b)為對應(yīng)的時間帶寬積隨濾波帶寬的變化曲線,圖4(c)和圖4(d)分別為不同濾波帶寬下CW 和CCW 輸出脈沖的光譜和自相關(guān)曲線(內(nèi)插圖). 當濾波帶寬為2.1 nm 時,激光器CW 和CCW 輸出脈沖FWHMs 分別為583.7 fs 和2.94 ps,3 dB 譜寬分別為10.1 nm 和1.8 nm. 兩路輸出參數(shù)差別較大,這是由于窄帶濾波器對光譜的濾波作用造成的. 濾波帶寬增加到5.8 nm,CCW 輸出譜寬隨之增加到4 nm,脈沖寬度迅速下降到622.1 fs,CW 輸出譜寬則降低到7 nm,脈寬降低到454.2 fs.兩路輸出脈沖的參數(shù)迅速接近,濾波對腔內(nèi)脈沖演化過程的影響逐漸減弱. 在這一過程中,兩路輸出脈沖的時間帶寬積迅速下降,輸出脈沖逐漸接近變換極限脈沖. 將濾波帶寬逐漸增加到14.3 nm,CW 和CCW 輸出脈寬均緩慢下降并趨近于同一常數(shù),約為440 fs; CW 和CCW 輸出譜寬均呈現(xiàn)緩慢上升趨勢,且CW 輸出光譜比CCW 輸出光譜寬約2.5 nm,這是由于脈沖在光纖環(huán)路傳輸過程中,自相位調(diào)制作用展寬了光譜. 此時,腔內(nèi)脈沖譜寬取決于增益譜,且由于增益譜的影響,輸出光譜向長波方向漂移. 在孤子效應(yīng)的作用下,兩路輸出脈沖的時間帶寬積均維持在較低水平. 濾波器僅起到濾除拉曼頻移產(chǎn)生的長波成分的作用,不再影響腔內(nèi)脈沖的演化過程. CCW 輸出脈沖的時間帶寬積明顯小于變換極限高斯脈沖的時間帶寬積0.441,這是因為此時CCW 輸出脈沖并非標準的高斯脈沖,如圖4(d)內(nèi)插圖所示,脈沖自相關(guān)曲線出現(xiàn)明顯的基底. 當濾波帶寬小于2.1 nm 時,由于濾波器引入的損耗過大,激光器無法維持鎖模運轉(zhuǎn). 若去掉濾波器,激光器同樣無法實現(xiàn)鎖模運轉(zhuǎn).

圖3 激光器順時針和逆時針輸出特性 (a)線性坐標和對數(shù)坐標(插圖)下的光譜; (b)自相關(guān)曲線; (c)脈沖序列; (d)一次諧波射頻譜和0—50 MHz 范圍的射頻譜(插圖)Fig. 3. Laser CW and CCW output characteristics: (a) Spectra on linear scale and log scale (inset); (b) autocorrelation traces;(c) pulse train; (d) radio frequency spectra around repetition rate and in wider range (inset).

此外在鎖模狀態(tài)下,通過調(diào)節(jié)濾波器中心波長可以實現(xiàn)鎖模激光器輸出波長的連續(xù)調(diào)節(jié). 濾波帶寬設(shè)定為2.8 nm,濾波中心波長從1535 nm 調(diào)節(jié)到1568 nm,激光器均可維持穩(wěn)定的鎖模運轉(zhuǎn).CW 和CCW 輸出不同中心波長的光譜如圖5 所示,波長調(diào)節(jié)范圍大于30 nm. 該調(diào)節(jié)范圍受限于增益譜和腔內(nèi)損耗,通過提高抽運功率可以擴大光譜調(diào)節(jié)范圍.

圖4 濾波帶寬對激光器輸出的(a)脈寬、譜寬和(b)時間帶寬積的影響; 不同濾波帶寬條件下(c) CW 和(d) CCW 輸出的光譜與自相關(guān)曲線(插圖)Fig. 4. Impact of filtering bandwidth on (a) pulse durations,spectral bandwidths and (b) time-bandwidth products; spectra and autocorrelation traces (inset) of (c) CW and (d) CCW output pulses with different filtering bandwidth.

圖5 CW 和CCW 輸出的可調(diào)諧光譜 (a) CW; (b) CCWFig. 5. Output tunable spectra of CW and CCW: (a) CW; (b) CCW.

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了基于損耗非對稱NOLM 的8 字腔摻鉺光纖鎖模激光器,激光器重頻為2.734 MHz,兩路輸出脈沖能量均大于3 nJ. 利用自制的可調(diào)諧濾波器實驗研究了濾波帶寬對激光器腔內(nèi)脈沖演化和輸出特性的影響. 當濾波帶寬較小時,腔內(nèi)脈沖的演化過程受濾波和孤子效應(yīng)的共同作用,激光器CW 和CCW 輸出脈沖FWHMs 差別較大,分別為583.7 fs 和2.94 ps. 隨著濾波帶寬增大,腔內(nèi)脈沖的演化過程中,濾波的作用逐漸減弱,增益譜的作用逐漸增強. 激光器兩路輸出脈沖參數(shù)逐漸接近并趨于相同,同時輸出脈沖逐漸接近傅里葉變換極限脈沖. 當濾波帶寬較大時,激光器CW 和CCW 輸出脈沖為變換極限脈沖,FWHM 均為440 fs. 通過調(diào)節(jié)濾波器中心波長還實現(xiàn)了對激光器輸出脈沖光譜的連續(xù)調(diào)諧,調(diào)諧范圍大于30 nm.該鎖模激光器實現(xiàn)了輸出脈寬、譜寬和波長的連續(xù)調(diào)諧,可應(yīng)用于不同的領(lǐng)域.