CN103078245B - 耗散孤子主动锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耗散孤子主动锁模光纤激光器，涉及激光器领域。所述激光器包括：互相连接的强度调制器和码型发生器；所述码型发生器向所述强度调制器输入脉冲序列信号；所述强度调制器在所述脉冲序列信号驱动下对激光脉冲进行调制。本发明所述耗散孤子主动锁模光纤激光器，通过采用码型发生器向强度调制器输入脉冲序列信号，进而对激光脉冲进行调制，获得了高能量锁模激光脉冲输出、输出激光脉冲中心波长能够大范围移动，并且输出激光脉冲脉冲重复频率灵活可调，能够与外部时钟精确对准。

Description

耗散孤子主动锁模光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种耗散孤子主动锁模光纤激光器。

背景技术

光纤超短脉冲激光器具有体积小且结构简单、工作物质为柔性介质、使用方便等特点，在光纤通信、激光加工、医疗器械设备等领域广泛应用。

图1是一种现有典型光纤激光器结构图。如图1所示，其中，Pump是泵浦源，WDM是波分复用器，EDF是掺铒光纤，PC是偏振控制器，PDI是偏振相关隔离器，OC是光耦合器，Output是输出。

这种激光器利用的是非线性偏振旋转(NPE)效应，原理是利用光纤内一些非线性效应(自相位调制、交叉相位调制、色散效应)和由偏振相关隔离器、两个光纤偏振控制器构成的等效快可饱和吸收体对腔内的初始光脉冲进行周期性调制来获得稳定超短光脉冲输出。

对于这种由全负色散光纤组成的光纤激光器来说，脉冲是在色散和以自相位调制为代表的非线性效应的共同作用下形成的，同时自相位调制与色散引起的脉冲形变互相抵消，由此可以使得脉冲形状在传输过程中保持不变，实现基态孤子(静态孤子)的运转。这种激光器可以做成全光纤结构，因此能够使用绝大多数适用于锁模光纤激光器的锁模方式。这种孤子激光器的输出脉冲为双曲正割形状，同时光谱也接近双曲正割形状。

孤子激光器的脉冲能量一般都在0.1nJ左右，由于其无啁啾特性导致的窄脉宽特性会使脉冲具有相当高的峰值功率。继续提升孤子能量的话会使脉冲的峰值功率过快增加，进而使腔内的非线性相移超过脉冲所能承受的极限，从而导致波分裂现象的发生。

这种结构的激光器优点是结构简单、可以自启动而且能实现全光纤结构，其缺点和不足是：1、脉冲能量低，由于腔内全负色散的存在，使得孤子的形成是在非线性和色散的平衡下产生，过高的脉冲能量产生较强的非线性会使孤子发生脉冲分裂现象，进而阻止脉冲能量的进一步提升；2、结构相对固定，不容易实现脉冲重复频率的调整；3、输出波长不易调节。

图2是一种现有全正色散光纤激光器结构图。如图2所示，其中，Pump是泵浦源，WDM是波分复用器，YDF是掺镱光纤，C是耦合器，PC是偏振控制器，PDI是偏振相关隔离器。

这种全正色散腔锁模激光器，其特点是腔内的光纤都是正常色散，在这种激光器内可以产生高能量的耗散孤子，原因是腔内脉冲的自相位调制产生正啁啾可以使高能量的脉冲在正色散的光纤中展宽，进而降低了脉冲的峰值功率，减弱了非线性效应，避免了脉冲分裂的产生。利用这种激光器结构可以产生20nJ能量的脉冲。正色散腔内脉冲的整形是基于啁啾脉冲的频谱滤波机制。由于脉冲具有很大的啁啾，所以在腔外可以用光栅压缩脉冲至fs级别，可以实现脉冲腔外压缩至80fs。在时域上，有限的增益带宽体现出了频谱滤波作用，将脉冲的前后沿部分频率切除从而使脉冲窄化，而正色散介质可以使脉冲展宽，从而获得脉冲的平衡稳定运行；在频域上，增益带宽的滤波效应是由自相位调制效应所带来的光谱展宽效果所平衡的。实际上，在全正色散激光器中不只是由有限增益带宽实现频谱滤波效应，饱和吸收体的调制作用同样在腔内实现了滤波效应。利用这种结构，在腔内加入双折射滤波器，可以实现输出波长可调。

这种激光器的优点是可以产生高能量的脉冲，并且可以做成全光纤结构，输出脉冲具有很大的啁啾，腔外可压缩。其缺点是：1、波长不易调节；2、由于激光器是被动锁模的形式，所以很难调节腔长来改变脉冲的重复频率，进而很难将脉冲和外部的时钟同步起来；3、虽然其实现了波长可调，但是通过加入滤波器的激光腔部分是空间结构，结构不灵活而且需要对准，并且脉冲重复频率不易调节。

图3是一种现有主动锁模激光器结构图。如图3所示，其中Pump是泵浦源，WDM是波分复用器，EDF是掺镱光纤，OC是光耦合器，ISO是隔离器，DL是延时线，PC是偏振控制器，Output是输出，Modulator是强度调制器，RF signal是射频信号源。

在这种主动锁模激光器中，EDF为激光提供增益，Modulator作为锁模器件和微波源一起引入周期性的幅度调制实现主动锁模。在腔内加入一个PC，用于调节光的偏振态，保证最佳的调制效率。只有当调制频率f_m与腔长严格匹配，即f_m等于纵模间隔整数倍(f_m＝N×c/nL，n为折射率，L为腔长，N为整数)时满足锁模条件，主动锁模激光器内的脉冲才能每次经过调制器时获得最大的透过率，从而不断被压窄并形成锁模脉冲。由于通常锁模激光器放大部分采用EDF，其余部分采用普通单模光纤，1550nm附近的光在光纤负色散区传输，而且环形激光器内光功率较高，自相位调制(SPM)很强，腔内脉冲可以变成孤子形式。利用这种方式可以获得10GHz波长可调谐锁模激光器。

这种主动锁模激光器一般采用10GHz或者更高速率的RF信号(即正弦波信号)进行调制，进而产生高重复频率的锁模脉冲。调节DL可以改变激光器腔长，进而调整脉冲的重复频率。

这种结构的激光器的优点是：1、重复频率高并且可以控制，所以可以与外界时钟同步；2、脉冲啁啾小，接近变换极限，减少了脉冲在传输过程中的色散展宽；3、输出波长的调谐范围大，几乎可以覆盖增益光纤的增益谱范围；4、激光腔结构灵活，可以方便构成各种结构实现锁模运转。其缺点是，这种主动锁模激光器一般工作在较高的重复频率，脉冲的高重复频率限制这种结构的激光器在数据获取(如生物成像、光采样示波器)方面的应用，并且平均功率不变的情况下，高重复频率导致单脉冲的能量非常低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种耗散孤子主动锁模光纤激光器，从而使输出激光具备高能量锁模脉冲输出，并且脉冲重复频率灵活可调、中心波长能够大范围移动。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种耗散孤子主动锁模光纤激光器，其包括：互相连接的强度调制器和码型发生器；所述码型发生器向所述强度调制器输入脉冲序列信号；所述强度调制器在所述脉冲序列信号驱动下对激光脉冲进行调制。

优选地，所述激光器还包括：波分复用器、增益光纤和光耦合器；所述波分复用器、增益光纤、光耦合器和强度调制器由单模光纤顺次连接构成激光腔：所述强度调制器的输出端连接所述波分复用器的输入端；所述波分复用器的输出端连接所述增益光纤的输入端；所述增益光纤的输出端连接所述光耦合器的输入端；所述光耦合器的输出端连接所述强度调制器的输入端。

优选地，所述增益光纤采用掺镱光纤。

优选地，所述激光器还包括起偏器，所述起偏器设置在所述光耦合器和强度调制器之间。

优选地，所述激光器还包括偏振控制器，所述偏振控制器用于优化所述激光腔内的偏振态。

优选地，所述偏振控制器设置于所述增益光纤与所述光耦合器之间。

优选地，所述激光器还包括隔离物，所述隔离物用于保证激光脉冲在所述激光腔中的单向传输。

优选地，所述隔离物设置于所述强度调制器与所述波分复用器之间。

优选地，所述激光器还包括泵浦源，所述泵浦源连接所述波分复用器的输入端。

优选地，所述强度调制器的固定透射率是：

$T=(1-{\mathrm{\α}}_m)\frac{1+\sin \left(\mathrm{\π}\frac{V}{V_{\mathrm{\π}}}\right)}{2}$

其中，V为所述脉冲序列信号的瞬时电压，V_π为所述强度调制器的半波电压，α_m为所述强度调制器的插损。

(三)有益效果

本发明所述耗散孤子主动锁模光纤激光器，通过采用码型发生器向强度调制器输入脉冲序列信号，进而对激光脉冲进行调制，获得了高能量锁模激光脉冲输出、输出激光脉冲中心波长能够大范围移动，并且输出激光脉冲脉冲重复频率灵活可调，能够与外部时钟精确对准。

附图说明

图1是一种现有典型光纤激光器结构图；

图2是一种现有全正色散光纤激光器结构图；

图3是一种现有主动锁模激光器结构图；

图4是本发明实施例所述耗散孤子主动锁模光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图4是本发明实施例所述耗散孤子主动锁模光纤激光器的结构示意图。如图4所示，所述激光器包括：泵浦源100、波分复用器200、增益光纤300、偏振控制器400、光耦合器500、起偏器600、强度调制器700、码型发生器800和隔离物900。

单模光纤依次连接所述泵浦源100、波分复用器200、增益光纤300、偏振控制器400、光耦合器500、起偏器600、强度调制器700、和隔离物900，构成激光腔。其中，所述增益光纤300长1.5m，其余单模光纤共3m，激光腔总长约4.5m，对应基频为44.1MHz。

所述泵浦源100连接所述波分复用器200的输入端，用于输入泵浦激光；所述波分复用器200的输出端耦合连接所述增益光纤300的输入端；所述增益光纤300的输出端连接所述偏振控制器400的输入端，所述增益光纤300优选采用掺镱光纤；所述偏振控制器400的输出端连接所述光耦合器500的输入端，所述偏振控制器400用于优化所述激光腔内的偏振态；所述光耦合器500的输出端连接所述起偏器600的输入端；所述起偏器600的输出端连接所述强度调制器700的第一输入端，所述起偏器600用于保证所述强度调制器700工作在正确的偏振态；所述强度调制器700的输出端连接所述隔离物900的输入端；所述隔离物900的输出端也连接所述波分复用器200的输入端，所述隔离物900用于保证所述激光腔内的激光脉冲单向传输；所述码型发生器800连接所述强度调制器700的第二输入端；所述光耦合器500的输出端还作为所述激光器的输出端口输出最终的激光脉冲，其输出比为10∶90。所述偏振控制器400和隔离物900在所述激光腔中的位置并不仅限于上述描述，其位置可以适当变换，对于实现本发明方案无影响。

其中，所述码型发生器800用于向所述强度调制器700输入包含1和0的脉冲序列信号，所述强度调制器700在所述脉冲序列驱动下对激光脉冲进行窄化调制。所述码型发生器800的数据速率为f_m＝10.77GHz，然而在每m＝244个符号中只有一个“1”，其余是243(即m-1)个“0”。所以实际驱动所述强度调制器700的脉冲序列的重复频率为f_m/m，与所述激光器的基频相同。相应的在所述激光腔内循环一周的时间内只有一个单脉冲存在，因此在平均功率不变的情况下，单脉冲的能量可以达到很高。

本实施例中，激光脉冲在激光腔中的传播可以用下面的方程描述(广义非线性薛定谔方程)：

$\frac{\∂A}{\∂t}+\frac{i}{2}({\mathrm{\β}}_2+\mathrm{ig}/2{\mathrm{\Ω}}_g^2)\frac{{\∂}^{2}A}{\∂t^2}=i(\mathrm{\γ}+\frac{i}{2}{\mathrm{\α}}_2){\left|A\right|}^{2}A+\frac{1}{2}(g-\mathrm{\α})A---\left(1\right)$

其中A代表光脉冲电场归一化慢变包络；|A|²代表光脉冲的瞬时功率；α为激光腔中的损耗系数；α₂表示所述增益光纤的双光子吸收，在实际计算中可忽略；β₂表示光纤的二阶色散系数，γ表示激光腔内非线性系数；g是光纤的饱和增益系数，Ω_g是光纤增益带宽；i表示虚数单位，i²＝-1。

对于单模光纤增益系数g＝0，对于所述增益光纤，其饱和增益系数g_增益满足下面公式：

其中，是激光脉冲的能量，g₀为所述增益光纤小信号增益系数，E_sat是所述增益光纤的饱和能量。

激光脉冲在激光腔内循环一周，所述强度调制器700形成的固定透射率是：

$T=(1-{\mathrm{\α}}_m)\frac{1+\sin \left(\mathrm{\π}\frac{V}{V_{\mathrm{\π}}}\right)}{2}---\left(3\right)$

其中V为调制信号(即所述脉冲序列信号)的瞬时电压，V_π为所述强度调制器700的半波电压，α_m为所述强度调制器700的插损。一般来说调制信号的瞬时电压包括了高频微波调制信号的电压与直流偏置电压，因此：

V＝V_bias+V_mcosω_mt         (4)

V_bias是所述强度调制器700上的偏置电压，作用是选择所述强度调制器700的工作点。V_m为微波调制电压，ω_m＝2πf_m代表调制信号的角频率，f_m是调制信号的频率。

在本实施例中，所述增益光纤300对激光脉冲进行放大，所述强度调制器700提供了一个固定调制窗口对激光脉冲进行窄化，单模光纤对激光脉冲进行展宽。通过精确调整所述码型发生器800的输出的脉冲序列信号的频率，可以得到稳定的耗散孤子脉冲输出，光谱有陡峭边沿。

激光脉冲中心波长随着调制频率变化可以用下面的式子表示：其中，χ表示激光腔内的总色散；f_rep＝f_m/m是激光器输出脉冲重复频率，也是码型产生器800的实际脉冲重复频率；δ_λ是输出激光脉冲中心波长的移动范围；是激光器输出重复频率的变化。由于激光腔内较大的正色散，激光脉冲的不同频率部分对应不同的传输速度。因此，激光的波长就可以随着所述码型发生器800的速率不同而变化，而不必通过改变腔长这种复杂的手段。

本发明实施例中，当泵浦激光波长为974.3nm，功率为195mw时，可以获得脉宽为10ps的锁模脉冲，激光腔内单脉冲能量为1.58nJ。同时，当调节所述码型发生器800的速率从10.767GHz到10.773GHz变化时，可以实现激光脉冲中心波长1030nm-1080nm的移动，对应实现输出激光脉冲重复频率44.13MHz-44.15MHz的调谐。

本发明实施例所述耗散孤子主动锁模光纤激光器，通过采用码型发生器向强度调制器输入脉冲序列信号，进而对激光脉冲进行调制，获得了高能量锁模激光脉冲输出、输出激光脉冲中心波长能够大范围移动，并且输出激光脉冲脉冲重复频率灵活可调，能够与外部时钟精确对准。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种耗散孤子主动锁模光纤激光器，其特征在于，包括：互相连接的强度调制器和码型发生器；所述码型发生器向所述强度调制器输入脉冲序列信号；所述强度调制器在所述脉冲序列信号驱动下对激光脉冲进行调制；所述耗散弧子主动锁模光纤激光器的腔形结构为环形腔；所述码型发生器的输出端连接所述强度调制器的输入端；

所述激光器还包括：波分复用器、增益光纤和光耦合器；所述波分复用器、增益光纤、光耦合器和强度调制器由单模光纤顺次连接构成激光腔：所述强度调制器的输出端连接所述波分复用器的输入端；所述波分复用器的输出端连接所述增益光纤的输入端；所述增益光纤的输出端连接所述光耦合器的输入端；所述光耦合器的输出端连接所述强度调制器的输入端；

所述激光器还包括起偏器，所述起偏器设置在所述光耦合器和强度调制器之间。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述增益光纤采用掺镱光纤。

3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括偏振控制器，所述偏振控制器用于优化所述激光腔内的偏振态。

4.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述偏振控制器设置于所述增益光纤与所述光耦合器之间。

5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括隔离物，所述隔离物用于保证激光脉冲在所述激光腔中的单向传输。

6.如权利要求5所述的激光器，其特征在于，所述隔离物设置于所述强度调制器与所述波分复用器之间。

7.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括泵浦源，所述泵浦源连接所述波分复用器的输入端。

8.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述强度调制器的固定透射率是：

$T=(1-{\mathrm{\α}}_m)\frac{1+\sin \left(\mathrm{\π}\frac{V}{V_{\mathrm{\π}}}\right)}{2}$

其中，V为所述脉冲序列信号的瞬时电压，V_π为所述强度调制器的半波电压，α_m为所述强度调制器的插损。