Multi-wavelength noise-like pulsed erbium-doped fiber laser
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摘要: 报道了一种基于多波长类噪声脉冲的被动锁模掺铒光纤激光器。采用980 nm半导体激光器作为泵浦源，2.5 m长的掺铒光纤作为增益介质。锁模机制为非线性放大环形镜(NALM)。通过自相关迹证明输出脉冲为类噪声脉冲。该类噪声脉冲的光谱3 dB带宽可达17.2 nm，边模抑制比为47.7 dB，重复频率为5.434 MHz，单脉冲能量为7.9 nJ。为了实现平坦的多波长输出，在NALM结构中加入Sagnac环干涉仪，获得了最大波长数为5的平坦多波长类噪声脉冲，平坦度为1.995。Abstract: We proposed and demonstrated a multi-wavelength noise-like pulsed passive mode-locked erbium-doped fiber laser. The 980 nm semiconductor laser was used as the pump source and the erbium-doped fiber (EDF) with length of 2.5 m was used as the gain medium. The mode-locking operation was achieved by using a nonlinear amplifier loop mirror (NALM) structure. It is proved by self-correlation trace that the output pulse is a noise-like pulse. The 3-dB bandwidth of noise-like pulse is 17.2 nm, the side mode suppression ratio is 47.7 dB, the repetition rate is 5.434 MHz and the single pulse energy is 7.9 nJ. In order to achieve flat multi-wavelength output, a Sagnac ring interferometer was added to the NALM structure, and the flat multi-wavelength noise-like pulse was obtained with the number of maximum wavelength of 5 and the flatness of 1.995.
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引言
被动锁模光纤激光器由于体积小、结构简单、成本低、光束质量好，可调谐和较易形成超短脉冲等优点[1]，在显微机械加工[2], 光学频率测量[3]，医学[4]和军事领域[5-6]有着重要的潜在应用价值。近几十年来，已经有大量的锁模脉冲类型被报道，如自相似脉冲[7]、孤子脉冲[8]、类噪声脉冲[9]等。其中类噪声脉冲由于具有宽的波包，宽而平滑的光谱，低时域相干性等特殊的物理特性[10]被广泛应用于低相干光谱干涉仪[11]，超连续谱产生[12]等领域。因此，类噪声脉冲备受研究人员的关注。1997年，M. Horowitz等人首次在实验中发现类噪声脉冲，并认为类噪声脉冲的产生是由腔内强双折射与非线性偏振旋转效应的相互作用导致的[8]。随着类噪声脉冲的研究工作不断进展，研究者们发现激光器在不同工作区域内产生类噪声脉冲的机制并不相同。2005年，D. Y. Tang等在低双折射负色散腔中获得类噪声脉冲，并提出在负色散区类噪声脉冲的产生是由孤子的坍塌效应和腔内正反馈共同引起的[13]。2007年，L. M. Zhao等在正色散腔中获得类噪声脉冲，并提出在正色散区类噪声脉冲的产生是光纤正色散与腔内增益引导孤子的峰值功率钳制效应共同作用的结果[14]。在过去的数十年间，关于类噪声脉冲在高能量和宽光谱方面有大量的报道。2012年，Luis A. Vazquez-Zuniga等人利用非线性偏振旋转(NPR)锁模技术，在掺铒光纤激光器中获得了具有135 nm光谱带宽的类噪声锁模脉冲，脉冲能量为1.1 nJ[15]。2014年X.W. Zheng等在掺铒非线性放大环形镜(NALM)光纤激光器中得到了135 nJ高能量的矩形类噪声脉冲[16]。2018年，Xinwu Zhou, Zhaochen Cheng等人用保偏双包层铒镱共掺光纤作为增益介质，在NALM光纤激光器中得到了能量为1.54 μJ的矩形类噪声脉冲[17]。
另一方面，关于多波长类噪声脉冲鲜有报道。但是多波长光纤激光器在波分复用、光学测量、光学传感以及微波产生等领域有着非常广泛的用途[18-19]。因此, 性能稳定的多波长光纤激光器是近年来的研究热点。2014年，Hao Liu等人在NALM光纤激光器中获得了双波长和三波长的多波长方波脉冲。为理解多波长类噪声方波脉冲的形成机理提供了新的角度[20]。多波光纤激光器多采用非线性偏振旋转和四波混频效应[21]、非线性光纤放大环镜[22, 23]、高双折射布拉格光栅、梳状滤波器等[24]。其中非线性偏振旋转和四波混频效应主要是利用光纤中的非线性效应实现多波长脉冲输出，但这两种方法需要在激光腔内引入百米以上的高非线性光纤，这就导致该激光器的阈值高，稳定性差，结构复杂并且难以产生的平坦的多波长；利用高双折射布拉格光栅实现多波长脉冲，其波长数受限并且不可调谐，难以产生3个以上波长输出；利用Sagnac环干涉仪实现多波长脉冲，提高了多波长的稳定性和平坦度。
提出了一种基于NALM锁模的被动锁模掺铒光纤激光器。采用980 nm半导体激光器为泵浦源，2.5 m长的掺铒光纤(EDF)为增益介质。实验得到了光谱3 dB带宽为17.2 nm，单脉冲能量为7.9 nJ的类噪声脉冲。通过加入Sagnac环干涉仪，实现了最大波长数为5的平坦多波长类噪声脉冲。
1 基于Sagnac环的滤波器构造原理
实验中增益介质选取2.5 m长的单模掺铒光纤，泵浦源采用两个980 nm半导体激光器，在980 nm激光泵浦的条件下，能够产生1 550 nm波段激光。谐振腔选取环形腔，采用非线性放大光纤环镜实现被动锁模。实验中为了实现平坦的多波长输出，选取Sagnac环作为梳状滤波器。Sagnac环滤波器结构如图 1所示。此滤波结构由一个PC，一段保偏光纤(PMF)和一个3d B耦合器构成。Sagnac环干涉仪的使用实现了多波长类噪声脉冲输出。入射光由端口1进入耦合器后，被耦合器分成两束传播方向相反的光，一束光从端口3输出并沿着顺时针传输，另一束光从端口4输出并沿着逆时针传输，并且两束光各占50%。当光经过PMF时，光分成两个分量的光沿PMF的快慢轴独立传输，快慢轴的折射率不同导致两分量的光产生一个相位差。当光经过PC时，偏振光产生了一个偏转角度。两束光沿顺时针和逆时针两个方向分别通过了PC和PMF，最后返回耦合器相干干涉输出。实现梳状滤波，滤波后的部分宽带光由环行器返回腔内，从而在环形腔内持续振荡，形成平坦多波长激光输出。
在1端口输出的部分称为反射光谱，在2端口输出的部分称为透射光谱。光波经过2×2的3 dB耦合器的表达式可以表示为
$$ \left[\begin{array}{l} E_{3} \\ E_{4} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{ll} A & B \\ B & A \end{array}\right]\left[\begin{array}{l} E_{1} \\ E_{2} \end{array}\right]=\boldsymbol{J}_{c}\left[\begin{array}{l} E_{1} \\ E_{2} \end{array}\right] $$ (1) 由于2×2的3 dB耦合器的琼斯矩阵为
$$ \boldsymbol{J}_{c}=\left[\begin{array}{cc} \sqrt{1-k} & \mathrm{j} \sqrt{k} \\ \mathrm{j} \sqrt{k} & \sqrt{1-k} \end{array}\right] $$ (2) 如果入射光从端口1进入，根据(2)式可将(1)式改写为
$$ \left[\begin{array}{c} E_{3} \\ E_{4} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc} \sqrt{1-k} & \mathrm{j} \sqrt{k} \\ \mathrm{j} \sqrt{k} & \sqrt{1-k} \end{array}\right]\left[\begin{array}{l} E_{1} \\ E_{2} \end{array}\right] $$ (3) 假设入射光与X轴的夹角为0, 则将入射光场E1沿坐标轴分解为E1x和E1y，则经过藕合器分束后的E3和E4可以表示为
$$ E_{3}=\sqrt{1-k} E_{1}=\sqrt{1-k}\left[\begin{array}{l} E_{1} \cos \theta \\ E_{1} \sin \theta \end{array}\right] $$ (4) $$ E_{4}=\mathrm{j} \sqrt{k} E_{1}=\mathrm{j} \sqrt{k}\left[\begin{array}{l} E_{1} \cos \theta \\ E_{1} \sin \theta \end{array}\right] $$ (5) E3经过PMF后的场强用E′3表示如下：
$$ E_{3}^{\prime}=\left[\begin{array}{cc} \mathrm{e}^{-\mathrm{j} \varphi} & 0 \\ 0 & \mathrm{e}^{\mathrm{j} \varphi} \end{array}\right]\left[\begin{array}{cc} \cos \theta_{1} & \sin \theta_{1} \\ -\sin \theta_{1} & \cos \theta_{1} \end{array}\right] E_{3} $$ (6) 同理，E′4相应的表示为
$$ E_{4}^{\prime}=\left[\begin{array}{cc} \cos \theta_{1} & -\sin \theta_{1} \\ \sin \theta_{1} & \cos \theta_{1} \end{array}\right]\left[\begin{array}{cc} \mathrm{e}^{-\mathrm{j} \varphi} & 0 \\ 0 & \mathrm{e}^{\mathrm{j} \varphi} \end{array}\right] E_{4} $$ (7) E′3和E′4返回耦合器经过干涉叠加后再从端口1反射和端口2透射输出，此时，它们的传输函数如下:
$$ \left[\begin{array}{c} E_{1}^{\prime} \\ E_{2}^{\prime} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc} \sqrt{1-k} & \mathrm{j} \sqrt{k} \\ \mathrm{j} \sqrt{k} & \sqrt{1-k} \end{array}\right]\left[\begin{array}{l} E_{4}^{\prime} \\ E_{3}^{\prime} \end{array}\right] $$ (8) 当耦合比k=0.5时，由此可推出透射函数为[25]
$$ T=\frac{\left|E_{2}^{\prime}\right|^{2}}{\left|E_{1}\right|^{2}}=\sin ^{2} \theta_{1} \cos ^{2} \varphi $$ (9) 式中：φ=πΔnL/λ；Δn为两主轴的折射率差；L为PMF的长度。通过调整PC的状态，使不同偏振态的光在PMF中产生不同的相位延迟，使透射谱的滤波特性发生变化，当PMF参数固定，透射谱的自由光谱范围仅取决于PMF长度，为探究PMF的长度与自由光谱范围的关系，实验选取了17 m，8 m和2 m的PMF，得到的透射谱如图 2所示。对应的波长间隔分别为0.63 nm，1.07 nm，4.27 nm。因此，当增加PMF的时候，自由光谱范围相应的缩短了，得出越长PMF对应越小的自由光谱范围，因此输出多波长激光的波长间隔可以通过调节PMF长度来改变。在本实验中，为了避免谐振腔过长而产生较大的损耗，因此尽量减小腔长，选取的PMF长度为2 m。
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图 2 不同长度的PMF对应的Sagnac环透射谱Figure 2. Transmission spectrum of Sagnac ring with different lengths of PMF2 实验结构与工作原理
多波长类噪声脉冲掺铒光纤激光器的实验结构如图 3所示，本实验采用双泵浦结构，两个980 nm半导体激光器作为泵浦源。泵浦光分别由两个980/1 550 nm波分复用器(wavelength division multiplexer，WDM)耦合进2.5 m长的EDF中，EDF的数值孔径，980 nm处吸收，1 550 nm模场直径分别为0.23、3 dB/m、5.8 μm。980 nm光在EDF内被吸收，由4I15/2→4I11/2能级跃迁产生的自发辐射光在光纤中不断地被受激放大，得到放大自发辐射光输出。非线性放大环形镜与单向环通过2×2的3 dB耦合器1相连构成NALM锁模结构从而实现锁模脉冲输出。一个偏振控制器(PC)，2 m的保偏光纤(PMF)和一个2×2的3 dB耦合器2构成Sagnac环通过环形器与单向环连接从而实现多波长锁模脉冲输出。一段20 m长的单模光纤用来增加腔内的非线性效应以及控制腔内的色散。10/90的耦合器3的10%端口作为输出端，90%端口提供腔内正反馈。输出光谱通过光谱分析仪(OSA, YOKOGAWA AQ6370D)观测，该光谱仪的最小分辨率为0.05 nm。脉冲通过1 550 nm高速光电探测器探测，其带宽可达10 GHz以上，上升沿时间为28 ps。脉冲信号在时域上通过高速示波器(Agilent DSO-X 93204A)观测，其带宽为32 GHz，最高采样率为80 GSa/s。脉冲信号在频域通过频谱分析仪(FSA，Agilent N1996A)观测，其频率探测范围为100 kHz~3 GHz。脉冲信号的自相关迹通过自相关仪(Autocorrelator, FR-103XL)观测。
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图 3 多波长类噪声脉冲掺铒光纤激光器实验结构Figure 3. Experimental structure of multi-wavelength noise-like pulsed erbium-doped fiber laser3 实验结果与讨论
实验中，NALM结构具有可饱和吸收效应，相当于一个可饱和吸收体，进而实现被动锁模。输出信号采用示波器，光谱分析仪，自相关仪以及频谱分析仪测量。当泵浦功率增加到180 mW时，到达激光器阈值，观测到1 550 nm波段激光输出，光谱如图 4所示，从图中可看出该脉冲信号具有光滑的光谱形状，其中心波长为1 551.94 nm，光谱3-dB带宽为17.2 nm，边模抑制比为47.7 dB。此时，激光器工作在基频被动锁模状态。其脉冲序列如图 5，可以看出脉冲序列稳定均匀地分布在整个空间，每个脉冲幅度基本一致，脉冲间隔为184 ns，对应的重复频率为5.434 MHz。在被动锁模光纤激光器中环型腔激光器输出脉冲序列的重复频率为f环=c/nL(c为光速，L为腔长，n为折射率系数)。激光器腔长约为37 m，由此可理论计算出激光重复频率值为5.405 MHz，与实际测量值相符。输出脉冲的自相关信号如图 6所示，从图中的自相关迹可以看出，有一个相干的尖峰坐落在一个很宽的底座上，这是典型的类噪声脉冲自相关迹[8]。输出脉冲的频谱如图 7所示，信噪比为55.47 dB。该脉冲信号稳定。增加泵浦功率至最大800 mW时，输出脉冲的脉冲宽度为953.2 ps，平均功率为43.2 mW，由于此时激光器的重复频率为5.434 MHz，可得输出脉冲的单脉冲最大能量为7.9 nJ。
固定泵浦功率为800 mW，通过调节腔内PC，得到了波长数分别为2，3，4，5的稳定多波长类噪声脉冲，如图 8~11所示。边模抑制比均在46 dB以上。波长间隔为4.27 nm，对应Sagnac环干涉仪的自由光谱范围。通过仔细调节PC3改变两干涉臂的光强比，可以改变Sagnac环干涉仪滤波峰值强度从而实现平坦多波长类噪声脉冲。实验中得到的光谱平坦度分别为0.475，0.837，1.319，1.995。
4 结论
提出了一种基于多波长类噪声脉冲的被动锁模掺铒光纤激光器。该激光器输出的类噪声脉冲的光谱3-dB带宽可达17.2 nm，边模抑制比为47.7 dB，重复频率为5.434 MHz，单脉冲能量为7.9 nJ。考虑在无Sagnac环的非线性放大环形腔中，通常要实现平坦多波长的激光输出，相对困难，对PC需要精确的调节，且对工艺要求较高，因此，本文在非线性放大环镜中加入Sagnac环干涉仪。Sagnac环干涉仪的引用有效地优化了非线性放大环镜的滤波特性。该结构仅通过加入Sagnac环作为滤波器，改变Sagnac中的PC就可实现平坦多波长激光输出，获得了最大波长数为5，平坦度为1.995的平坦多波长类噪声脉冲。
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图 2 不同长度的PMF对应的Sagnac环透射谱
Figure 2. Transmission spectrum of Sagnac ring with different lengths of PMF
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图 3 多波长类噪声脉冲掺铒光纤激光器实验结构
Figure 3. Experimental structure of multi-wavelength noise-like pulsed erbium-doped fiber laser
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