CN101714738A - 使用碳纳米管的被动锁模的光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种使用碳纳米管的被动锁模的光纤激光器。被动锁模的光纤激光器利用稀土掺杂的光纤段作为增益介质，其呈现了相对高的吸收(例如峰值泵浦吸收＞50dB/m)和相对低的色散(例如-20ps/km-nm＜D_g＜0)。通过在一段未掺杂的光纤的端面部分形成的单壁碳纳米管(SWNT)可饱和吸收器来提供被动锁模。剩余的元件(输入/输出耦合器、分离器)被优选地集成到单个元件并耦合到未掺杂的光纤。这个组合产生了具有稍微异常的整体色散的激光器腔，优选地用于孤粒子生成和产生具有亚皮秒脉冲宽度和大于100MHz的重复频率的光脉冲。

Description

使用碳纳米管的被动锁模的光纤激光器

相关申请的交叉引用

本申请主张2008年9月25日申请的美国临时申请No.61/099978号的权益，其结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及被动锁模的光纤激光器，更具体地，涉及应用集成光纤的碳纳米管可饱和吸收器的光纤激光器以产生短脉冲宽度、高重复频率的光纤激光器。

背景技术

被动锁模的光纤激光器已知为超短脉冲(例如宽度小于皮秒的脉冲)的可靠源。除了超短脉冲宽度，还可以在例如频率度量和高速光采样的应用中使用具有高脉冲重复频率(例如几百MHz)的激光。为了实用的目的，这些源必须是紧凑的、可靠的并且需要最小的功率消耗。锁模的铒掺杂光纤激光器提供潜在地具有吸引力的短脉冲源，该短脉冲源相对于调制后的连续波(CW)源具有某些关键优势，这样的优势例如大的光带宽、高的强度和功率、短的相干长度以及实质上的定时稳定性。

由高重复频率需求所表达的一个困难是需要超短的腔长(cavity length)。然而，短的腔长不能允许执行色散补偿，并且结果使得生成的脉冲宽度相对长(处于皮秒级)。由此，在实现相对高的脉冲重复频率(100MHz或更高)和超短脉冲宽度(处于小于1皮秒的级别)之间存在自然的紧张关系。

对于高重复频率激光器，对于相同的光纤长度，单向环腔具有基础脉冲重复频率是线性环腔的基础脉冲重复频率的两倍的优点。一个例子包括能够获得200MHz的重复频率的光纤环激光器。然而，该激光器依赖于光纤非线性以产生被动锁模，并且如果并非不可能，高重复频率激光器的更低的脉冲能量也很难将这样的激光器调整到更高的频率。

通常，由光纤激光器腔呈现的整体色散的管理将允许将产生的脉冲宽度压缩到某个程度。铒掺杂的光纤(在光纤激光器中用作增益介质)呈现现有的正常色散(例如在1550nm的波长对于铒掺杂的光纤为-17ps/nm-km)，同时用于形成剩余激光器腔的标准单模光纤在相同的波长具有异常色散特性(例如+17ps/nm-km)。这些色散值仅用于示例。实际上，当使用镱(Yb)作为增益光纤掺杂剂时，在1030-1100nm的波长范围内发生放大并且增益光纤和单模光纤呈现正常(负的)色散。然后需要呈现正的色散的其它元件/光纤来产生异常色散。在任何情况下，通过平衡“短的”整体腔长(对于高脉冲重复频率)和“长的”腔长(对于色散管理和/或使用激光的脉冲)的需要来确定形成激光器腔的不同光纤的相对长度。

理论上，可以使用更高的重复频率建立基于快速可饱和吸收器的被动锁模的光纤激光器。然而，用于基于这样的锁模机制的激光器的脉冲宽度不能在100fs的范围内产生脉冲宽度。

期望提供被动锁模的光纤激光器，其能够产生具有亚皮秒脉冲宽度和至少100MHz的重复频率的光输出脉冲。

发明内容

本发明解决现有技术中的局限性，本发明涉及被动锁模的光纤激光器，更具体地，涉及应用集成光纤的碳纳米管可饱和吸收器来产生短脉冲宽度、高重复频率光纤激光器的光纤激光器。

根据本发明，产生近似100MHz或更高的重复频率同时保持亚皮秒脉冲宽度的能力能够通过以下获得：(1)利用在允许环形腔设计的传输模式操作的基于光纤的可饱和吸收器，以及(2)通过控制增益光纤和剩余的腔光纤的长度来管理腔色散。此外，通过将多个其它所需的元件(隔离器、耦合器)集成到单片电路单元，可以减少内部元件连接的整体长度，由此进一步减少腔长度并且增加重复频率而不会对脉冲宽度产生不良影响。

在一个实施例中，本发明的光纤激光器利用稀土掺杂的光纤段作为增益介质，例如铒掺杂光纤段，铒掺杂的光纤段呈现相对高的泵浦吸收，例如大于近似50dB/m的峰值吸收，以及相对低的色散，例如在关注的激光波长范围内大于近似-20ps/nm-km但是小于0的增益光纤的色散。镱(Yb)是另一个适合的稀土掺杂剂。光纤激光器的可饱和吸收器被形成为单壁碳纳米管(SWNT)配置，该配置优选地布置在连接至稀土掺杂的光纤的端面的一段未掺杂的光纤的端面部分。可选地，SWNT配置可以布置在稀土掺杂的光纤的端面。例如输入/输出耦合器和隔离器的其它光纤激光器元件可以被优选地集成到单个元件中并耦合至未掺杂的光纤。在近似+1到近似+10ps/nm-km的范围内，该组合产生了具有稍微异常的整体色散的激光器腔，优选地用于孤粒子产生并且产生在高重复频率的亚皮秒宽度的脉冲。

优选地，使用集成光纤的SWNT吸收器消除了在激光器结构中包括离散元件的需要，离散元件包括用于耦合进入和耦合出光纤的块(bulk)光学透镜，这减少了耦合损耗和反射的可能性并且重要地允许显著地减少激光器腔长度，并且由此实现亚皮秒脉冲宽度。此外，SWNT吸收器可以在传输中操作(与反射相比)，这使得能够与环形腔设计兼容——这对于高重复频率应用是优选的。然而，本发明的实施例可以被形成为线性腔激光器。

参考附图，在下面描述的过程中，本发明的其它实施例和优势将变得清楚。

附图说明

现在参考附图，

图1是根据本发明形成的示例光纤环激光器的图表；

图2描述了用于根据图1的激光器的三个不同实施例的锁模的频谱，每个实施例具有不同长度的单模光纤(并且由此具有不同的整个腔色散值和重复频率)；

图3表示在200MHz的重复频率处从本发明的光纤环激光器输出的124fs脉冲的自相关性；

图4表示本发明的可选实施例，在这种情况下使用多元件装置来执行耦合和分离功能并且由此减少离散光纤元件的数目并且允许进一步缩短激光器腔；

图5描述了用于图4的激光器的三个不同实施例的锁模的频谱，每个实施例具有不同长度的单模光纤或掺杂的增益光纤(并且由此具有不同的整个腔色散值和重复频率)；

图6是与415MHz的重复频率相关联的脉冲序列的图，指示单脉冲生成；

图7表示当在447MHz的重复脉冲操作激光器时测量的自相关脉冲(270fs)；

图8是本发明的另一个实施例的图表，在这种情况下包括保偏光纤；

图9是表示通过使用不同长度的铒掺杂的光纤和单模光纤可获得的性能中的不同范围的图，图中由非阴影区域指示期望的性能；

图10包含本发明的另一个实施例，使用镱掺杂的光纤作为增益介质，并且还包括分离的、基于光纤的色散补偿元件；以及

图11表示被配置为线性腔激光器结构的本发明的光纤激光器。

具体实施方式

图1表示根据本发明的实施例形成的示例高重复、超短脉冲带宽光纤环激光器10。光纤环激光器10包括一段稀土掺杂的光纤12，其可以用作激光器结构的放大元件(在本文中也称为“增益介质”或“增益光纤”)。增益光纤12被掺杂以呈现大于50dB/m的峰值泵浦信号吸收，具有期望的80dB/m、150dB/m甚至更高的值以使得实现可接受的放大所需的光纤长度最小化。

被示为泵浦激光器14的输入泵浦光线的源通过波分复用器(WDM)16被耦合到增益光纤12。泵浦激光器14在增益光纤12中在适于产生放大的波长处提供输入光泵浦信号。光纤环激光器10的剩余部分包括各段未掺杂的光纤18，用于提供连接到剩余元件或从剩余元件连出的信号路径。在一个实施例中，光纤18可以包括单模光纤，尽管也可以使用其它类型的光纤。在该特定实施例中，如图所示，光纤12和18以环形结构连接以形成圆形激光器腔。

沿着激光器10布置分离器20以防止反射信号反向传播，或者进入泵浦源14并在激光器腔中产生不稳定。分离器20优选地包括同轴(in-line)(即，基于光纤的)分离器配置。偏振控制器22可以与光纤环激光器10结合使用以通过在信号传播过程中防止偏振旋转以优化产生的频谱带宽。输出耦合器24，例如10％的光学抽头，用于移除作为光纤环激光器10的输出脉冲序列的部分循环信号。可以使用输出耦合器其它值，例如，可以使用5％的光学抽头。

根据本发明，通过将基于光纤的单壁碳纳米管(SWNT)吸收器30集成到激光器腔来实现被动锁模。在图1的特定实施例中，通过如下方式形成SWNT吸收器30：将单壁碳纳米管沉积到一段有角度的光纤连接器的端面，在准备好连接到环形激光器10的激光器腔的配置中产生集成了光纤的SWNT吸收器30。在图1的特定实施例中，在光纤18的段之间形成SWNT吸收器30。通过接合点32和34示出SWNT吸收器30与激光器10的连接。可选地，可以在增益光纤12的终端形成SWNT吸收器30。在2006年10月27日申请的我们的未决申请“Selective Deposition of Carbon Nanotubes on Optical Fibers”中描述了产生基于光纤的SWNT吸收器的示例方法，该申请全部内容结合于此作为参考。已经示出了制造基于光纤的碳纳米管可饱和吸收器的其它方法，例如在薄高分子膜中嵌入SWNT或在光纤锥(fiber taper)的外部嵌上SWNT。应该理解到可以使用任何适合的方法来生成本发明的布置中使用的基于光纤的SWNT吸收器。

参考图1，吸收器30被示出为包括一对熔接端32和34。重要地，能够将SWNT吸收器30形成为集成光纤的元件消除了在光纤环激光器中使用离散可饱和吸收器的需要。因为已知离散器件将反射和损失引入到激光器结构，这些器件的消除增加了可实现的重复频率和许多应用期望的最小脉冲宽度。

现有技术中已知，许多铒掺杂的光纤设计可以被配置为呈现正常色散(例如在1550nm近似-17ps/nm-km的值)，同时SMF在该波长呈现异常色散(近似+17ps/nm-km)。由此，根据本发明这些光纤的长度受控以提供期望数量的色散(即，“色散管理”)。特别地，光纤18的整个物理长度由用于将各种器件(例如分离器、耦合器)耦合在一起的连接的数目指示。图1中的交叉标志表示不同器件之间的连接位置，因为需要光纤的最小长度以产生每个光纤连接(在近似4-5cm的量级)，所以多个连接的需要导致需要光纤18的相对长的整个物理长度(大约1米)，这与期望产生相对短的腔长度的目标相反。此外，增益光纤12的长度不能小于在第一位置产生激光输出所需的长度，并且必须足够长以确保在在宽的增益峰值(即1550nm)而不是窄的增益峰值(即，1530nm)上产生激光。如下所述，在1530nm的较窄的增益峰值不是优选的，因为这导致较窄的锁模频谱并且由此导致更宽的脉冲宽度。

图2表示对于使用不同长度的未掺杂的光纤18的三个离散的配置，与图1的光纤环激光器10相关联的锁模的频谱。在执行这些测量中，铒掺杂的光纤被用作增益光纤12，并且被选为具有25cm的长度。此外，泵浦激光器14被配置为向铒掺杂的增益光纤12提供975nm的波长的脉冲。铒光纤具有大约55dB/m的峰值泵浦吸收和-17ps/nm-km的色散(两个值均在1550nm的波长测量)。曲线I与具有最长长度的光纤18的示例光纤环激光器10相关联。特别地，使用25厘米长的增益光纤12和2.3米的单模光纤作为光纤18，该配置的激光器在81MHz的重复频率操作。通过减少用作光纤18的单模光纤的长度，如图2的曲线II所示，可以获得160MHz的重复频率。如曲线III所示，22nm的最大测量的频谱FWHM与220MHz的重复频率相关联。在这种情况下，单模光纤18的长度是78厘米。根据由增益光纤和单模光纤呈现的色散值，因为单模光纤的数量减少了，所以净异常色散也减少了。图3表示与图2的曲线III相关联的脉冲的自相关性，示出了124fs的脉冲宽度，具有0.34的时间带宽积。

进一步简化配置并且减少本发明的光纤激光器的腔长度的能力导致实现更高的重复频率。图4示出了根据本发明形成的示例光纤环激光器50，其已经能够获得超过400MHz的重复频率，同时保持亚皮秒的脉冲宽度值。在图4的布置中，光隔离、输入耦合和输出耦合(原来在图1的实施例中分别由元件20、16和24提供)的功能已经被合并到能够执行所有这些功能的可用多功能商用元件52中。使用单个多功能元件52显著地减少所需的光纤连接的数目，并且进一步有助于实现最短的可能腔长度。

类似于图1的配置，泵浦源54向激光器50提供光学输入信号，在这种情况下通过多功能元件52提供。此后该信号通过一段增益光纤56、偏振控制器58以及SWNT吸收器60。如前所述，通过如下方式形成SWNT吸收器60：在在光纤段18的相反的端面上沉积单壁碳纳米管，此后将光纤段连接在一起以形成集成了光纤的元件。如图4所示，在光纤腔内的位置通过连接62和64接合SWNT吸收器60。

在图4的实施例的一个配置中，一段长度的铒掺杂光纤被用作增益光纤56，具有20cm的初始长度，剩余的腔由未掺杂光纤66形成。图5包含由光纤环激光器50生成的锁模的频谱的图。图5所示的分离轨迹(trace)与在激光器腔中使用不同长度的增益光纤56或光纤66相关联。在该实验中的最长的光纤66，在图5中被示出为曲线A，被示出为产生316MHz的脉冲重复频率，显著地优于与多个元件(例如图1中的布置)的使用相关联的200MHz的水平。

为了将重复频率从316MHz增加到415MHz，通过移除部分光纤66来缩短腔长度。图5中的曲线B表示对于415MHz的重复频率的锁模的频谱。通过产生的图6所示的脉冲序列来确认在该重复频率的单脉冲操作。

色散管理以及依次维持亚皮秒脉冲宽度主要消除从该激光器结构移除光纤66的任何其它部分的可能性。由此，为了进一步将重复频率从415MHz增加到447MHz，移除具有大约2厘米长度的一段铒掺杂光纤56。该配置的锁模的频谱被示出为图5的曲线C，曲线C还示出了对于该重复频率最大10nm的FWHM值。图7表示对于该重复频率的测量的脉冲自相关性，这表示270fs量级的脉冲宽度。

然而，通过减少增益光纤56的长度，在铒光纤中1530的峰值将开始产生激光，如图5中的曲线C中的尖峰所示。实际上，如曲线D所示，移除额外的2厘米增益光纤56导致了中心为1530nm的锁模的频谱(不期望的较窄的频谱)。由此，在增益光纤56的长度的任何减少都是不建议的，因为可用的输出能量的增加的部分将驻留在该更低的不使用的波长上并且限制超短脉冲的产生。由此，为了进一步缩短腔长度，建议使用具有更高掺杂浓度的铒光纤，而不使用那些在当前商用产品中使用的光纤。实际上，产生80dB/m、150dB/m或更高的峰值泵浦吸收值的更高掺杂浓度将允许使用实质上更短的腔长度，并且很好地产生超过400MHz的重复频率(同时保持具有亚皮秒脉冲宽度的输出脉冲)。

图8表示本发明的另一个实施例，在这种情况下使用保偏光纤来形成激光器腔。实际上，该实施例适用于存在空间限制并且难于增加外部偏振控制器(如图1和图4的实施例中所示)的应用。参考图8，保偏光纤环激光器70被示出为包括一段铒掺杂的保偏光纤72，用于放大来自泵浦激光器源74的泵浦信号。

多元件器件76(也是保偏的)被用于将泵浦信号耦合到光纤环激光器70、提供隔离并输出耦合该生成脉冲。一段保偏光纤78用于完成该环形配置，具有以如上所述的形式沿着该光纤形成SWNT吸收器80。特别地，通过在保偏光纤连接器上沉积SWNT由此形成保偏吸收器来形成吸收器80。保偏光纤的色散特性类似于上面讨论的现有光纤，其中各段的长度受控以产生期望的稍微异常的净色散值。

已经发现进一步减少铒掺杂光纤的长度将振荡减少至1530nm-不期望的结果。因为激光器腔的色散平衡将受到不好的影响，所以也不能使用更短长度的未掺杂的光纤。在450MHz的重复频率处，20厘米铒掺杂的光纤和26厘米未掺杂的光纤的组合产生近似+2.2ps/nm-km的整体腔色散。

在图9中示意性地总结了这些关于光纤长度的考虑，图9中绘出了在本发明的环激光器结构中使用的铒掺杂的光纤和未掺杂的光纤的长度。阴影区域指示操作的不期望的区域。未掺杂的光纤的最小长度(表示为L_un，min)被定义为形成可饱和吸收器、偏振控制器、隔离器和耦合器的必要元件所需要的。铒掺杂的光纤的最小长度(表示为L_g，min)被定义为实现足够饱和以在长波长产生激光所需要的。也可以将未掺杂和铒掺杂光纤长度的总和最小化以实现最高可能的重复频率。

另一个约束条件是铒掺杂光纤的色散应该使得期望操作平均腔色散定义的线的斜面应该落入图9的阴影区域中。特别地，平均腔色散D_avg被定义如下：

$D_{\mathrm{avg}}=\frac{D_g{L}_g+D_{\mathrm{un}}{L}_{\mathrm{un}}}{L_g+L_{\mathrm{un}}}$

其中D_g和D_un分别是增益光纤和未掺杂光纤的色散值，并且L_g和L_un是这些段光纤的相关联的总物理长度。该条件由图9中的虚线表示。如果具有太低或太高的D_g值，这条线将不会与期望的操作的非阴影区域交叉。从关于锁模的腔的上述结果，很清楚在例如+1到+10ps/nm-km的范围内平均腔色散将稍微异常。

如上所述，可以使用除了铒之外的掺杂剂来产生本发明的光纤环激光器。图10表示特定实施例，其中镱(Yb)掺杂的光纤82用作增益介质(下文中称为“镱掺杂的增益光纤82”)。泵浦源84用于通过多功能元件86将泵浦信号引入到镱掺杂的增益光纤82。由于镱掺杂，用于激光输出的操作波长范围将是1030-1100nm，并且输入泵浦信号可以具有915nm或975nm的波长。通过上述其它配置，多段未掺杂的光纤88被用于形成光纤环结构的其它器件。参考图10，沿着一段未掺杂光纤88连接SWNT吸收器90(接合91和93表示连接位置)，并且沿着未掺杂光纤88的分离部分布置偏振控制器92。

Yb掺杂增益光纤82和未掺杂光纤88都将沿着该操作波长范围呈现正常色散。由此，为了对输出亚皮秒脉冲宽度提供期望的异常色散，可能需要额外的器件(被示出为器件94)，该器件呈现足以补偿另外的正常色散的异常色散的水平。例如，诸如一段更高阶模(HOM)光纤、光子晶体光纤或光子带隙光纤的器件已知呈现在1μm波长范围内的异常色散。根据使用的特定元件，可用宽范围的异常色散值。例如，HOM光纤可以用于呈现高达50ps/nm-km的色散值，而可以形成具有近似800ps/nm-km或更高的色散值的光子带隙光纤。

尽管本发明的各种实施方式可以是环形激光器的形式，也存在线性激光器布置是优选的情况。图11表示根据本发明的形成的示例线性光纤激光器100，以利用集成光纤的SWNT吸收器来产生被动锁模。如图所示，光纤激光器100包括接合至一段长度的未掺杂的光纤120的一段稀土掺杂的光纤110(“增益光纤110”)。泵浦源130提供输入的光泵浦信号，并且光泵浦信号通过WDM140被耦合到未掺杂的光纤120。根据本发明，沿着光学信号路径布置SWNT吸收器150，并且在这种情况下，吸收器150被耦合到未掺杂的光纤120的一部分上。通过上述实施例，SWNT吸收器150是基于光纤的元件，其被直接熔合到SMF 120的端面部分。

由在第一反射端面160和相对的第二反射端面170之间界定的长度Y的腔进一步限定线性光纤激光器100。单一端面160被形成为主要100％可反射的，以将传播信号重新指引回来通过WDM 140以被增益光纤100重新放大。第二端面170被形成为小于100％可反射的(例如90％)，以允许部分放大的输出信号退出激光器100同时将剩余部分重新指引返回到激光器腔。通过上述环形配置，通过控制增益光纤110和未掺杂的光纤120的长度和/或增益光纤110中的掺杂选择和浓度来提供亚皮秒脉冲宽度所需的期望的异常色散特性。

总的来说，根据本发明形成的光纤激光器已经被配置为包括集成光纤的SWNT吸收器和多功能元件，接合稀土掺杂的增益光纤和未掺杂的光纤一起使用，未掺杂的光纤优选地为单模未掺杂的光纤。

本领域普通技术人员应当理解本发明的各种其它变型。依赖于本发明的原理、现有技术通过其得到进步的、从本说明书的特定教示和实施例的偏移和等同物被认为落入权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种被动锁模的光纤激光器，包括：

一段掺杂的光纤，具有长度L_g和在选定的操作波长的已知色散D_g；

一段未掺杂的光纤，具有长度L_un和在所述操作波长的已知色散D_un，所述一段未掺杂的光纤耦合到所述一段掺杂的光纤以形成激光器腔，所述一段掺杂的光纤和所述一段未掺杂的光纤的长度和色散被选定以对于所述光纤激光器产生不大于+20ps/nm-km的净异常色散，实现具有亚皮秒脉冲宽度和大于100MHz的重复频率的输出脉冲；

输入耦合器，用于将光泵浦信号引入到所述激光器腔中，所述光泵浦信号在泵浦波长操作以实现在所述选定的操作波长处在所述一段掺杂的光纤中实现激光发射，并且产生激光输出信号；

集成光纤的单壁碳纳米管可饱和吸收器，沿着所述激光器腔耦合以产生被动锁模；以及

输出耦合器，用于从所述光纤激光器移除所述激光输出信号的一部分。

2.根据权利要求1所述的被动锁模的光纤激光器，其中，所述光纤激光器包括光纤环激光器。

3.根据权利要求2所述的被动锁模的光纤激光器，其中，所述光纤环激光器进一步包括沿着环形配置布置的光隔离器，以防止反向传播的反射信号重新进入所述一段掺杂的光纤。

4.根据权利要求3所述的被动锁模的光纤激光器，其中，所述光隔离器被集成到所述输入耦合器中，以形成单个多功能的元件。

5.根据权利要求2所述的被动锁模的光纤激光器，其中，所述激光器还包括沿着所述环形配置布置的偏振控制器以保持循环的激光输出信号的偏振模式。

6.根据权利要求3所述的被动锁模的光纤激光器，其中，所述光纤环激光器实现亚皮秒脉冲和大于100MHz的重复频率，所述光纤环激光器包括集成输入耦合器、输出耦合器和光隔离器的功能的多功能元件。

7.根据权利要求1所述的被动锁模的光纤激光器，其中，对于1550nm的操作波长，选定所述一段掺杂的光纤增益介质和所述一段未掺杂的光纤的长度以产生小于12ps/nm-km的非负平均色散值。

8.根据权利要求1所述的被动锁模的光纤激光器，其中，所述一段掺杂光纤的长度和所述一段未掺杂的光纤的长度的色散的组合位于+1到+10ps/nm-km的范围内。

9.根据权利要求1所述的被动锁模的光纤激光器，其中，所述一段掺杂的光纤和所述一段未掺杂的光纤、输入耦合器和输出耦合器、以及集成光纤的单壁碳纳米管可饱和吸收器均被形成作为保偏元件。

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