CN103944042A

CN103944042A - 一种被动锁模光纤激光器

Info

Publication number: CN103944042A
Application number: CN201410065316.9A
Authority: CN
Inventors: 邹卫文; 李杏; 陈建平
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-07-23

Abstract

本发明涉及一种被动锁模光纤激光器，包括激光泵浦源和单向环形谐振腔；所述的单向环形谐振腔包括波分复用器、掺珥光纤、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一四分之一玻片、第二四分之一玻片、光隔离器、带通滤光片、偏振分束器、二分之一玻片。本发明在采用非线性偏振旋转锁模的同时，利用高掺杂光纤作为增益介质，减小激光腔长度，增加激光器重复频率；通过在激光腔中引入带通滤光片，滤除腔中杂散分量及噪声，降低量子噪声导致的时钟抖动；通过管理激光腔色散，既可以产生较窄的脉冲，又可以获得较宽的频谱，同时也降低了激光器的强度噪声，可广泛应用于光模数转换系统（OAD）等领域。

Description

一种被动锁模光纤激光器

技术领域

本发明涉及光信息技术领域，具体是一种高重复频率、低时钟抖动被动锁模光纤激光器。

背景技术

光纤激光器是近年来各国研究者深入研究和发展的课题，光纤激光器的表现在某些方面达到甚至超过了传统大型固体激光器，由于光纤激光器具有体积小、成本低、易操作且稳定性高等特点，在某些应用中它已取代了传统的固体激光器，例如需要连续光或Q开关输出的应用。在1.0μm及1.5μm波段范围内，提升激光器重复频率、脉冲能量等方面的研究已取得长足进步。高重复频率、低时钟抖动光纤激光器具有广泛的应用，例如光模数转换系统（OAD）、频率梳产生、频率测距、光学任意波形产生（AOWG）等，并且不断地在开拓新的应用领域，在光频率梳产生的应用中，高重复频率和超短脉冲的结合对于减小频率梳产生过程中的噪声是相当重要的；而在频率测距中，高重复频率意味着能够获得足够大的频率梳间距。主动锁模激光器（包括主动谐波锁模）能够产生重复频率在几GHz甚至几十GHz的脉冲序列，但是主动锁模需要用到一个射频信号发生器和一个相位或强度调制器，这会增加其系统的复杂度及使用成本，且主动锁模激光器输出脉冲宽度一般在皮秒量级，其时钟抖动受限于电时钟信号的时钟抖动。一般来说，采用被动锁模激光器来产生高重复频率、低时钟抖动脉冲，例如使用基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）或者单壁碳纳米管锁模的线性腔结构光纤激光器可以产生基频重复频率超过1GHz的激光脉冲，且时钟抖动小于100fs（1KHz～10MHz），然而基于可饱和吸收体的脉冲整形机制受制于半导体可饱和吸收镜吸收恢复时间长的特性，具有输出脉冲宽度大（一般在ps量级）、光谱带宽窄（一般小于10nm）的特点，这就限制了某些应用，例如在高速光采样中，脉冲宽度直接限制了OAD系统有效比特位的提高，而光谱带宽太窄，不利于后面使用波分复用，从而限制了系统采样率的提高。而其它方式的被动锁模光纤激光器一般都是利用脉冲在光纤中传输时累计的强度相关的非线性相移来实现锁模，通过8字形腔或者一个腔内偏振器，这种非线性相位调制转化为快速的幅度调制，所以使用非线性光纤环镜锁模的8字形腔激光器也就不适合用来产生高重复频率脉冲，因为其锁模需要很长的光纤来实现。在激光腔内插入F-P滤波器可以成倍增加激光器的重复频率，但是激光器对F-P滤波器的后向反射敏感度很高，采用这种方法会大量引入噪声，从而恶化激光器噪声性能；而基于被动谐波锁模的激光器也可以产生重复频率很高的脉冲，然而这种激光器很不稳定，低时钟抖动的获得需要在激光腔中增加一个法布里-珀罗标准具来抑制超模，迄今为止，这种方法只在皮秒半导体激光器中实现过，即使以后实现了，这种方法也会大幅增加激光器结构的复杂性，同时降低系统的稳定性。

由于非线性偏振旋转（NPE）具有较大的调制深度以及瞬态响应时间，因此基于这种方式锁模的光纤激光器能够产生较宽频谱和超短脉冲，近年来对其的研究取得了较大的进步，而高掺珥增益光纤的出现，使这种激光器中输出脉冲的基频重复频率超过了200MHz。然而这些激光器输出脉冲的时钟抖动一般都比较大，且大部分激光器工作在孤子运行机制，因而限制了其输出脉冲的频谱宽度，还会导致多脉冲现象出现。如果能够对激光器的噪声特性进行改善，以降低激光器输出脉冲的时钟抖动，同时在该类型激光器中引入色散管理机制，使激光器运行在脉冲展宽-拉伸机制，势必会大大改善激光器的输出特性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高重复频率、低时钟抖动被动锁模光纤激光器装置，在采用非线性偏振旋转（NPE）锁模的同时，通过在激光腔中引入带通滤光片，滤除腔中杂散分量及噪声，降低量子噪声导致的时钟抖动；通过利用高掺杂增益光纤作为放大介质，减小激光腔长度，增加激光器重复频率；通过选用具有不同色散值的光纤和自由空间光学元件来构成谐振腔，使激光器工作在色散管理机制，既可以产生较窄的脉冲，又可以获得较宽的频谱，同时也降低了激光器的强度噪声。

本发明的技术方案如下：

一种被动锁模光纤激光器，其特点在于，包括激光泵浦源和单向环形谐振腔；所述的单向环形谐振腔包括波分复用器、掺珥光纤、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一四分之一玻片、第二四分之一玻片、光隔离器、带通滤光片、偏振分束器、二分之一玻片；

所述的光泵浦源的输出端与波分复用器的输入端相连，该波分复用器的公共端经掺珥光纤与第一光纤准直器的输入端相连，所述的第二光纤准直器的输出端与波分复用器的信号端相连，在所述的第一光纤准直器和第二光纤准直器之间依次放置所述的第一四分之一玻片、光隔离器、带通滤光片、偏振分束器、二分之一玻片、第二四分之一玻片。

所述的光隔离器的中心波长在1500nm～1650nm之间。

所述的激光泵浦源为半导体激光器，其中心波长在970nm到990nm之间，也可以用中心波长为1475nm到1485nm之间的半导体激光器作为激光泵浦源。

所述的波分复用器为非保偏型，所用光纤为具有较大非线性系数的单模光纤。

所述的掺珥光纤为具有较大增益系数的非保偏单模光纤。

所述的光纤准直器为成对使用的光纤准直器，尾纤为标准单模光纤。

所述的带通滤光片中心波长在1500nm～1600nm之间，带宽在1nm到80nm范围以内。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.通过在激光谐振腔中引入带通滤光片，滤除腔中杂散分量及噪声，降低量子噪声导致的时钟抖动。

2.利用高掺杂增益光纤作为放大介质，减小激光腔长度，增加激光器重复频率（>200MHz）。

3.采用基于非线性偏振旋转（NPE）的锁模方式，通过管理激光腔色散，使激光器工作在色散管理机制，既可以产生较窄的脉冲，又可以获得较宽的频谱，同时也降低了激光器的强度噪声。

附图说明

图1为本发明被动锁模光纤激光器的结构示意图。

图2为本发明被动锁模光纤激光器的锁模脉冲串。

图3为本发明被动锁模光纤激光器的锁模输出光谱。

图4为本发明被动锁模光纤激光器的锁模输出脉冲。

图5为本发明被动锁模光纤激光器的锁模脉冲序列在基频的射频谱。

图6为本发明被动锁模光纤激光器的锁模脉冲序列在3GHz范围内的射频谱。

图7为本发明被动锁模光纤激光器的锁模脉冲的相位噪声谱和时钟抖动值。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个具体实施例子。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请先参阅图1，图1为本发明被动锁模光纤激光器的结构示意图，如图所示，一种被动锁模光纤激光器，包括中心波长为974nm的激光泵浦源1通过尾纤类型为OFS980的980/1550波分复用器2连接到激光器谐振腔中，泵浦源的最大输出光功率为750mW；980/1550波分复用器2的信号端尾纤6长度为210mm，直接将其与长度为120mm的第二光纤准直器15的引导光纤5（SMF28）熔接；波分复用器2的公共端尾纤7长度为90mm，与长度为370mm的掺珥光纤3（Liekki ER110-4/125）的一端熔接，掺珥光纤在1530nm处的吸收峰值为110dB/m，掺珥光纤3的另一端与长度为90mm的第一光纤准直器8的引导光纤4（SMF28）熔接；在成对使用的第一光纤准直器8与第二光纤准直器15之间，第一四分之一玻片9、1550nm光隔离器10、带通滤光片11、偏振分束器12、二分之一玻片13以及第二四分之一玻片14沿顺时针方向依次排列，与980/1550波分复用器2、掺珥光纤3和两个光纤准直器一起构成激光谐振腔。整个激光器谐振腔的光路长度为1000mm。偏振分束器12既作为起偏器，与二分之一玻片13、两个四分之一玻片9和14以及1550nm光隔离器10一起构成非线性偏振旋转锁模器件，又作为输出耦合器。

对于一定的泵浦光功率，谐振腔中所用的掺珥光纤长度是固定的，因此色散管理通过调节腔内具有不同色散值的单模光纤OFS980和SMF28长度来实现，整个激光谐振腔的净色散在1550nm波长处接近零色散；当激光泵浦源的输出功率大于650mW时，调节二分之一玻片13及两个四分之一玻片9和14，激光器输出重复频率为201MHz的稳定的锁模激光脉冲序列，如图2所示，图中一个网格的时间宽度是5ns。图3为激光器的锁模输出光谱，从图中可以看到，锁模激光的中心波长为1550.6nm，3dB光谱带宽为61.6nm。图4为锁模激光器的直接输出脉冲，脉冲宽度为62.7fs。图5为分辨率带宽为300Hz时激光器的锁模脉冲序列在基频的射频谱，可以看到基频重复频率为201.64MHz，边模抑制比大于85dB。图6为分辨率带宽为100KHz时激光器锁模脉冲在3GHz范围内的射频谱，进一步证实了激光器锁模的稳定性。图7中红色曲线为激光器锁模脉冲的相位噪声谱和以及根据相位噪声谱计算出来的时钟抖动值，其在1KHz到10MHz频率范围内的时钟抖动为62.4fs；黑色曲线为移去带通滤光片11，其它条件不作任何改变后激光器锁模脉冲的相位噪声谱以及根据相位噪声谱计算出来的时钟抖动值，其在1KHz到10MHz频率范围内的时钟抖动为143.3fs。对比图中两条相位噪声谱密度函数曲线可知，在激光腔中加入带通滤光片，用于滤除腔中杂散分量及噪声，可以大幅降低输出脉冲序列的时钟抖动。

所述的带通滤光片11的中心波长为1550nm，带宽为40nm；所述的1550nm光隔离器10为偏振相关光隔离器，其长度为2.3cm，通光孔径为4mm；所述的波分复用器2为非保偏型；所述的各种光纤均为非保偏的单模光纤，其中掺珥增益光纤的群速度色散为正值，OFS980和SMF28光纤的群速度色散为负值。

除了上述外，所述的激光泵浦源1不仅局限于中心波长为974nm，其中心波长可在970nm到990nm范围之内；所述的带通滤光片11中心波长可为C波段任何一波长，带宽范围可在1nm与60nm之间；所述的色散管理不局限于激光谐振腔的净色散接近于零，通过改变腔内不同色散值的单模光纤OFS980和SMF28的长度，所述的色散管理不局限于激光谐振腔的净色散为1560fs²，通过改变腔内不同色散值的单模光纤OFS980和SMF28的长度，整个激光谐振腔的净色散范围可在-7200fs²到+4940fs²之间变化；所述的腔长不局限于1000mm，通过改变泵浦光的输出功率和各种光纤的长度，激光器能工作在不同的重复频率。

在上述过程中，通过在激光谐振腔中引入带通滤光片，用于滤除腔中杂散分量及噪声，降低了量子噪声导致的时钟抖动；同时通过管理激光腔色散，既可以产生较窄的脉冲，又可以获得较宽的频谱，同时也降低了激光器的强度噪声。本发明可广泛应用于光模数转换系统（OAD）等领域。

Claims

1.一种被动锁模光纤激光器，其特征在于，包括激光泵浦源（1）和单向环形谐振腔；所述的单向环形谐振腔包括波分复用器（2）、掺珥光纤（3）、第一光纤准直器（8）、第二光纤准直器（15）、第一四分之一玻片（9）、第二四分之一玻片（14）、光隔离器（10）、带通滤光片（11）、偏振分束器（12）、二分之一玻片（13）；

所述的光泵浦源（1）的输出端与波分复用器（2）的输入端相连，该波分复用器（2）的公共端经掺珥光纤（3）与第一光纤准直器（8）的输入端相连，所述的第二光纤准直器（15）的输出端与波分复用器（2）的信号端相连，在所述的第一光纤准直器（8）和第二光纤准直器（15）之间依次放置所述的第一四分之一玻片（9）、光隔离器（10）、带通滤光片（11）、偏振分束器（12）、二分之一玻片（13）、第二四分之一玻片（14）。

2.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的光隔离器（10）的中心波长在1500nm～1650nm之间。

3.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的激光泵浦源为半导体激光器，其中心波长在970nm到990nm之间，或1475nm到1485nm之间。

4.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的波分复用器为非保偏型，所用光纤为具有较大非线性系数的单模光纤。

5.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的掺珥光纤为具有较大增益系数的非保偏单模光纤。

6.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的光纤准直器为成对使用的光纤准直器，尾纤为标准单模光纤。

7.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的带通滤光片中心波长在1500nm到1600nm之间，带宽在1nm与80nm范围以内。