孫有生，端木慶鐸，林 鵬，馬萬卓，王天樞

（1.長春理工大學(xué) 理學(xué)院，吉林 長春 130022；2.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022；3.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長春 130022）

1 引言

近年來，工作在L波段(1565～1625 nm)的超快光纖激光器在光譜分析、生物醫(yī)學(xué)，光學(xué)傳感及光通信等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用引起了研究者的極大興趣[1-6]。為了實現(xiàn)L波段激光運行，常用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)。然而，摻鉺光纖的增益帶寬主要在1525～1565 nm范圍內(nèi)，對L波段的增益較低[7-8]。為了使L波段的增益處于主導(dǎo)地位，可以引入額外的空腔損耗或者增加腔內(nèi)濾波機(jī)制，但是這種操作使得激光器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。另外一種獲得L波段激光的方法是利用光纖的非線性效應(yīng)[9-11]。

孤子自頻移可以不借助任何輔助手段實現(xiàn)有效的波長轉(zhuǎn)換[12]。Luo等[13]利用類噪聲脈沖(Noise-Like Pulse, NLP)激光泵浦一段碲酸鹽光纖，將脈沖的波長紅移至1613 nm。然而這是利用脈沖在腔外泵浦一段無源光纖獲得的孤子自頻移現(xiàn)象，在環(huán)形腔內(nèi)由脈沖激發(fā)的孤子自頻移并獲得新波長未見報道。諧振腔直接輸出激光的波長受限于增益介質(zhì)的增益波段，利用脈沖在腔內(nèi)激發(fā)孤子自頻移(Soliton Self-Frequency Shift, SSFS)可以輸出超過增益介質(zhì)增益波段的波長。彭俊松等[14]利用孤子脈沖激發(fā)腔內(nèi)孤子自頻移現(xiàn)象，通過理論仿真與實驗相結(jié)合證明了腔內(nèi)孤子自頻移的可能性。腔內(nèi)孤子自頻移現(xiàn)象為直接獲得1.6 μm波段超快脈沖提供了新方法，還有利于開發(fā)緊湊波長的多用途激光光源。然而，在諧振腔內(nèi)基于孤子自頻移產(chǎn)生1.6 μm波段超快脈沖的研究較為匱乏。

本文通過在諧振腔中加入色散位移光纖(Dispersion Shifted Fiber, DSF)和色散補(bǔ)償光纖(Dispersion-Compensated Fiber, DCF)控制色散，使激光器工作在近零色散區(qū)。通過調(diào)節(jié)偏振控制器，在泵浦不超過550 mW時，得到中心波長為1560 nm的類噪聲脈沖。繼續(xù)增加泵浦功率至550 mW，類噪聲脈沖的中心波長從1560 nm紅移至1614 nm，3 dB譜寬從17.5 nm增加為64.4 nm，脈沖尖峰寬度從968 fs被壓縮為302 fs。同時，分析了DSF和DCF在結(jié)構(gòu)中的作用。

2 激光器的構(gòu)成及其工作原理

圖1 (彩圖見期刊電子版)為設(shè)計的光纖激光器的結(jié)構(gòu)。泵浦源的最大輸出功率為1W，增益光纖是具有高摻雜濃度的摻鉺光纖。泵浦激光經(jīng)980/1550波分復(fù)用器泵浦增益光纖。兩個偏振控制器和一個偏振相關(guān)隔離器組成的非線性偏振旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)作為鎖模器件，其中偏振相關(guān)隔離器不僅可以優(yōu)化光的偏振態(tài)還能確保激光單向工作。在諧振腔內(nèi)加入一段DSF用于增強(qiáng)諧振腔的非線性，兩個光纖耦合器(Optical Coupler, OC)分別位于DSF的兩端，其中耦合比為5/95的OC位于前端，5%的輸出端用于觀察種子脈沖，另一個耦合比為10/90的OC位于DSF后端，10%端用于觀察輸出脈沖。為了有效避免脈沖分裂和提高諧振腔的拉曼增益，加入了一段DCF使環(huán)形腔形成色散管理系統(tǒng)。在實驗中，DCF和摻鉺光纖(Erbium-Doped Fiber, EDF)的長度分別為1 m和0.7 m，諧振腔內(nèi)其它無源器件的尾纖均為單模光纖，長度約為6.5 m，DSF的長度為6 m。在1.55 μm波段，EDF、單模光纖(Single Mode Fiber,SMF)、DSF和DCF的群速度色散分別為?20.01 ps2/km、?22.94 ps2/km、?5.09 ps2/km和+184.8 ps2/km。諧振腔的凈色散計算為?0.0089 ps2，激光器工作在近零色散區(qū)。

圖1 激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of laser cavity

用分辨率分別為0.02 nm和0.05 nm的兩個光譜分析儀(YOKOGAWA, AQ6370D、AQ6375)同時測量兩個輸出端的光譜，時域脈沖信號由示波器(Agilent, DSO9254A)檢測。由最大頻率范圍為3 GHz的頻譜分析儀(Agilent, N1996A)測量脈沖的射頻頻譜。用輸出功率為1 W摻鉺光纖放大器對鎖模脈沖進(jìn)行功率放大后，由自相關(guān)儀(Femtochrome FR-103XL)測量自相關(guān)跡。

3 結(jié)果與討論

激光器的鎖模是由非線性偏振旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)決定的，其取決于光纖中脈沖偏振強(qiáng)度的相對旋轉(zhuǎn)[15-16]。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)兩個偏振控制器的初始位置，將泵浦功率設(shè)置為350 mW，激光器進(jìn)入鎖模狀態(tài)。圖2為輸出端1輸出脈沖的光譜。從圖2可以看出，光譜的中心波長為1560 nm，3 dB帶寬為17.5 nm。圖3為脈沖的自相關(guān)跡，從自相關(guān)跡可知此時激光器工作在類噪聲鎖模區(qū)域，對自相關(guān)跡的尖峰經(jīng)高斯函數(shù)擬合可知，尖峰脈寬為968 fs。此時，鎖模脈沖處于亞皮秒級別，滿足孤子自頻移對脈沖寬度的要求[17]。

圖2 端口1的脈沖光譜Fig.2 Pulse spectrum in port 1

圖3 1端口脈沖的自相關(guān)跡Fig.3 The AC trace of pulse in port1

圖4(彩圖見期刊電子版)為輸出端2脈沖光譜隨泵浦功率的演變。由圖4可知，在泵浦功率不超過550 mW時，輸出端2的光譜中心波長與輸出端1的光譜中心波長相同，均位于1560 nm處。當(dāng)泵浦功率增加至550 mW，輸出端2的脈沖光譜發(fā)生了明顯的變化，1560 nm處光譜分量的強(qiáng)度減弱，1613 nm處光譜分量的強(qiáng)度增強(qiáng)，這是由于孤子自頻移的作用使1560 nm處光譜分量的能量轉(zhuǎn)移至1613 nm處，波長發(fā)生紅移。在功率達(dá)到550 mW時，諧振腔內(nèi)才出現(xiàn)波長紅移現(xiàn)象，表明此時泵浦功率達(dá)到發(fā)生孤子自頻移的功率閾值[18]。其次，諧振腔內(nèi)增益光纖的增益飽和能量隨泵浦功率的增加逐漸達(dá)到閾值，導(dǎo)致頻譜中心波長發(fā)生移動[19]。從圖4還可以知道，隨著泵浦功率的進(jìn)一步增大，光譜的中心波長繼續(xù)向長波長方向移動，從1613 nm移動至1614 nm，光譜的帶寬也有輕微的增加，這可以由孤子的脈沖動力學(xué)來解釋[14,20]。

圖4 端口2光譜隨泵浦功率的變化情況Fig.4 Spectrum of the port 2 varying with the pump power

將泵浦功率保持為1W，對輸出端2脈沖的輸出特性進(jìn)行了詳細(xì)表征。圖5為脈沖的輸出光譜和時域脈沖序列。由圖5可知，光譜的3dB帶寬為64.4 nm，中心波長為1614 nm。由于1.6 μm波段激光受到摻鉺光纖增益帶寬的限制，長波長端光譜強(qiáng)度減弱較快。同時在1450 nm處存在一個二次譜峰，這是由自發(fā)輻射噪聲造成的。圖5(b)中脈沖在腔內(nèi)往返一次的時間為71.3 ns，對應(yīng)14.2 m的腔長。測量的自相關(guān)跡如圖5(c)所示，在一個寬的基底上豎立著一個窄的相干峰，基底的寬度隨泵浦功率的增加而顯著增大，但是尖峰的寬度保持不變，這是類噪聲脈沖的典型特征[21]。對尖峰部分采用高斯型函數(shù)擬合，脈沖的持續(xù)時間為302 fs。射頻頻譜如圖5(d)所示，信噪比優(yōu)于62 dB，諧振腔基頻為14.02 MHz。圖5(d)中插圖部分是450 MHz范圍的寬跨度射頻頻譜，各階頻譜信號在頻域上呈等強(qiáng)度分布。高的信噪比和大范圍頻譜表明激光器工作穩(wěn)定，諧振腔的最大輸出功率為11.4 mW。

圖5 端口2類噪聲脈沖的輸出光譜和時域脈沖序列Fig.5 Output spectrum and time domain pulse sequence of NLP in port 2

對于諧振腔中由波長頻移引起的頻率變化可表示為[22]：

式中TR表示拉曼響應(yīng)延遲, 是脈沖內(nèi)拉曼頻移的原因，γ為非線性系數(shù)，T0和P0分別為脈沖寬度與脈沖峰值功率，z為傳輸距離。由式(1)可知波長頻移與脈沖的寬度、功率以及拉曼增益有關(guān)。當(dāng)泵浦功率增加時，脈沖的功率增加，脈沖的峰值功率也相應(yīng)提高，非線性效應(yīng)增強(qiáng)，由脈沖內(nèi)拉曼散射產(chǎn)生的拉曼孤子的能量越高，能量較高的拉曼孤子在拉曼散射作用下向更低頻率移動，由此造成波長的紅移。此外，脈沖的尖峰寬度小于1ps，在負(fù)色散光纖中會發(fā)生明顯的孤子自頻移[22]。

激光波長發(fā)生頻移與光纖的非線性效應(yīng)有關(guān)，為了研究DSF和DCF對腔內(nèi)波長頻移的影響，實驗通過改變DSF和DCF的長度研究鎖模脈沖輸出特性。圖6為不同長度DSF對應(yīng)的兩輸出端光譜中心波長的變化情況。不改變諧振腔中其他無源器件的長度，僅改變DSF長度來研究其在結(jié)構(gòu)中的作用。首先減小DSF的長度，觀察光譜的變化。當(dāng)DSF的長度為3 m時，兩輸出端光譜的中心波長基本相同，波長沒有發(fā)生頻移現(xiàn)象，此時由于DSF的長度較短，諧振腔的非線性較弱，孤子自頻移作用不明顯。隨后，以12 m為間隔逐漸增加DSF的長度，分別至18 m、30 m、42 m、54 m、66 m、72 m，可以看到，輸出端1光譜的波長浮動較小，穩(wěn)定保持在1560 nm附近。輸出端2脈沖光譜的波長均在1600 nm以上，中心波長發(fā)生了頻移，說明諧振腔內(nèi)發(fā)生了明顯的孤子自頻移作用。其次，隨著DSF長度的增加，波長頻移距離呈現(xiàn)減小的趨勢，其結(jié)果如表1所示，這是因為隨著DSF長度的增加，諧振腔非線性累積增加，過量的非線性累積限制了單脈沖的能量，致使脈沖的峰值功率減小，導(dǎo)致頻移距離減小。進(jìn)一步將DSF的長度增加至84 m，類噪聲脈沖的頻域光譜和時域脈沖均出現(xiàn)不穩(wěn)定，這是因為隨著DSF長度的進(jìn)一步增大，諧振腔的非線性增強(qiáng)，強(qiáng)非線性導(dǎo)致脈沖運行不穩(wěn)定。

圖6 兩端口輸出脈沖中心波長的對比Fig.6 Comparison of the center wavelength of pulse in two output ports

表1 不同DSF長度對應(yīng)的頻移間距Tab.1 Frequency shift spacing corresponding to different DSF lengths

隨后，將DSF的長度控制為6 m，通過對比諧振腔內(nèi)有和無DCF時光譜的變化來分析DCF的作用。圖7(彩圖見期刊電子版)為諧振腔中加入DCF和諧振腔中未加入DCF時輸出端1和輸出端2輸出脈沖光譜的結(jié)果，其中黑色曲線是未加入DCF時輸出脈沖的光譜；紅色曲線是加入DCF時輸出脈沖的光譜。從圖7可以看出，未加入DCF時，光譜的波長位于1560 nm處且光譜的帶寬較窄；而在諧振腔接入DCF后，光譜的波長紅移至1614 nm處且光譜的帶寬明顯變寬。這是由于在諧振腔中接入正色散光纖后，諧振腔的拉曼增益增強(qiáng)[23-25],鎖模脈沖的峰值功率增加。當(dāng)脈沖在光纖中傳輸時，在自相位調(diào)制和負(fù)色散的相互作用下會形成高階孤子。高階孤子在拉曼效應(yīng)和高階色散的作用下分裂成一系列基本孤子，由于這些孤子具有高峰值功率和較低的反常色散，使得孤子在反常色散區(qū)具有較窄的脈沖寬度和較寬的頻譜，從而具備發(fā)生孤子自頻移的條件，導(dǎo)致波長頻移。頻譜中高頻分量的能量被轉(zhuǎn)移至低頻分量，形成1.6 μm波段鎖模脈沖。

圖7 有DCF和無DCF時的光譜對比Fig.7 Comparison of spectra with DCF and without DCF

表2為諧振腔中加入DCF和未加DCF兩種狀態(tài)下類噪聲脈沖性能參數(shù)的對比結(jié)果。由表2可知，加入DCF后，光譜被有效展寬，脈沖的尖峰寬度從675 fs被壓縮至302 fs。說明在環(huán)形腔中接入DCF后，諧振腔的拉曼增益提高，強(qiáng)拉曼效應(yīng)導(dǎo)致光譜展寬。其次，具有負(fù)啁啾的脈沖在正色散光纖中被色散補(bǔ)償使得脈沖尖峰寬度變窄。脈沖的峰值功率從1.5kW提高至3.7 kW，峰值功率提升了一倍。

表2 兩種狀態(tài)下類噪聲脈沖性能的對比Tab.2 Comparison of output pulse performance in two states

4 結(jié)論

通過實驗研究了基于孤子自頻移在全光纖激光器中直接輸出1.6 μm波段的類噪聲脈沖的可行性。當(dāng)泵浦功率低于550 mW時，類噪聲脈沖的中心波長為1560 nm，3 dB帶寬為17.5 nm，脈沖尖峰寬度為968 fs。將泵浦功率調(diào)節(jié)至550 mW及以上，類噪聲脈沖的波長紅移至1614 nm，3 dB帶寬變?yōu)?4.4 nm，脈沖尖峰寬度為302 fs。同時分析了DSF和DCF在結(jié)構(gòu)中的作用，結(jié)果表明DSF的非線性和DCF的強(qiáng)拉曼增益是造成波長頻移的主要原因。這種寬帶的類噪聲脈沖鎖模光纖激光器在超連續(xù)譜的產(chǎn)生和光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用價值。