CN107706732A - 基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器，用于产生2μm波段激光，通过主动锁模的方式产生了2μm波段高重复频率和可调谐脉冲，由于群速度匹配光子晶体光纤是一种可以实现群速度匹配且具有高非线性的碲酸盐光子晶体光纤，因此泵浦光与信号光可以通过光子晶体光纤发生交叉相位调制，即通过强度调制实现主动锁模。本发明的光纤激光器可以通过调节泵浦光以及腔内不同参数的特性来实现重复频率、脉冲宽度以及峰值功率的可调性，有效的实现高重频率脉冲的产生。

Description

基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器

技术领域

本发明涉及光子学领域，具体涉及一种基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器。

背景技术

近年来，由于在光谱学、激光雷达、材料加工等领域的广泛应用，2μm激光器受到了广泛的关注。由于掺铥光纤可以作为增益媒介人们已经在这个领域对诸如高功率、锁模、Q开关、波长可调谐、超连续等各种2μm光纤激光器进行了全面的研究。更具体地说，由于掺铥光纤具有较大的增益范围，在未来高数据速率和高容量光纤光通信方面，2μm波段也具有很大的潜力。具有高重复率的脉冲激光源是传统和未来光纤通信系统的关键模块之一，如奈奎斯特光时分复用，因此，可以预见的是，未来对于2μm的高重复频率激光源将会有很大的需求。

一般来说，锁模激光器分为被动型和主动型两种。被动锁模激光器利用光纤中的色散和非线性效应辅以可饱和吸收体使激光腔内的各个纵模之间的相位锁定，从而形成脉冲输出。然而，绝大部分被动锁模激光器工作在基频输出模式，其输出脉冲的重复频率受限于腔长，难以达到几十GHz的水平。尽管采用其他技术，例如被动谐波锁模可以进一步提高输出脉冲的重复频率，但是需要对腔内注入较大的泵浦功率，增加了可饱和吸收体被损伤的危险并且降低了激光器的工作稳定性。另一方面，被动锁模激光器的运行机制取决于腔内色散、非线性等参数的相互作用，而这些参数在激光器设计时就已经基本固定，在激光器运行中往往不易调整，因此被动锁模激光器输出脉冲的重复频率、脉冲宽度等参数很难根据实际需要而进行调控。

为了实现具有高重复率的激光输出以及可调谐性能，可以与外部源同步的主动锁模激光器是潜在的选择。对于主动锁模光纤激光器，电光调制器可用于周期性地操纵腔内的损耗并实现锁模。然而，2μm电光调制器的成本高，调制速度有限。为了解决这些问题，在光纤中具有～fs响应时间的全光调制是一种可采用的方法。需要指出的是，要构建全光调制的主动锁模激光器，首先需要光脉冲作为泵浦源。幸运的是，在光纤通信技术的推动下，1.55μm波长的高重复频率脉冲源已经获得充分发展，成为可以利用的宝贵资源。因此，通过使用1.55μm泵浦激光器对2μm光纤激光器进行锁模可以是一种替代方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述的现有技术中还没有1.55μm泵浦激光器对2μm光纤激光器进行锁模方案的技术缺陷，提供了一种基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器。

根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器，用于产生2μm波段激光，包含：

掺饵光纤放大器，用于产生1.55μm波长的泵浦光脉冲；

非线性光纤环形镜，包含依次连接成环形的第一波分复用器、用于实现群速度匹配的非线性的碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器以及中间耦合器；以及，

依次连接成环形的所述中间耦合器、用于接入种子光的第三波分复用器、掺铥光纤、第四波分复用器、光隔离器、用于输出2μm波段激光的输出耦合器、单模光纤；

其中，所述基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器的各部分的连接关系还被下述信号的流向所限定：

所述1.55μm波长的泵浦光脉冲的信号流向顺次为：掺饵光纤放大器、第一波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器，然后流出；

种子光的流向顺次为：第三波分复用器、掺铥光纤、第四波分复用器，然后流出；其中种子光在经过掺铥光纤时产生2.025μm波长的光；

2.025μm波长的光的流向顺次为：掺铥光纤、第四波分复用器、光隔离器、输出耦合器、单模光纤、非线性光纤环形镜、第三波分复用器，然后流回掺铥光纤。

在本发明的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器中，各部分的连接关系还被下述信号的流向所限定：

2.025μm波长的光流入和流出非线性光纤环形镜的过程为：2.025μm波长的光流入中间耦合器后分为两路，一路流向顺次为：第一波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器，然后流回中间耦合器，另一路流向为：第二波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第一波分复用器，然后流回中间耦合器两路信号的输出在中间耦合中合为一路输出至第三波分复用器。

在本发明的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器中，还包括：

带通滤波器，连接在掺饵光纤放大器与第一波分复用器之间，用于调节1.55μm波长的泵浦光脉冲的宽度。

在本发明的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器中，还包括：

环形腔，所述单模光纤、所述掺铥光纤以及所述碲酸盐光子晶体光纤位于该环形腔内。

在本发明的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器中，碲酸盐光子晶体光纤为可以实现1.55μm与2.025μm波长的群速度匹配的非线性光纤，具有多层空气孔的正六边形结构，纤芯直径为8μm，包层直径为57μm，空气孔之间的距离为4μm。

在本发明的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器中，基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器是采用全光强度调制的方式实现激光器的主动锁模的激光器。

在本发明的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器中，中间耦合器为3dB耦合器，分光比是50:50。

本发明基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器通过主动锁模的方式产生了2μm高重复频率和可调谐脉冲，由于群速度匹配光子晶体光纤是一种可以实现群速度匹配且具有高非线性的碲酸盐光子晶体光纤，因此泵浦光与信号光可以通过光子晶体光纤发生交叉相位调制，即通过强度调制实现主动锁模。本发明的光纤激光器可以通过调节泵浦光以及腔内不同参数的特性来实现重复频率、脉冲宽度以及峰值功率的可调性，有效的实现高重频率脉冲的产生。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器的结构示意图；

图2是本发明的碲酸盐光子晶体光纤的结构示意图；

图3是本发明碲酸盐光子晶体光纤的群速度匹配曲线图；

图4是本发明基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器的稳定输出脉冲演化图；

图5是本发明基于群速度匹配光子晶体光纤的2μm主动锁模光纤激光器输出脉冲的光谱图；

图6是本发明中泵浦脉冲宽度与峰值功率以及输出脉冲宽度的关系图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

请参考图1，掺铒光纤放大器101的作用是产生1.55μm波长的泵浦光脉冲，并注入至基于群速度匹配光子晶体光纤2μm波段(1.8μm-2.3μm)主动锁模光纤激光器(以下简称主动锁模光纤激光器)，注入的泵浦光脉冲到达带宽可调的带通滤波器102，通过调节带通滤波器102的带宽来调节注入泵浦光脉冲的宽度。非线性光纤环形镜包含依次连接成环形的第一波分复用器103、用于实现群速度匹配的非线性的碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器104以及中间耦合器105。1.55μm波长的泵浦光脉冲通过第一波分复用器103耦合入碲酸盐光子晶体光纤，1.55μm波长的泵浦光脉冲从第二波分复用器104流出，后续的2.025μm波长的光也可通过第一波分复用器103、第二波分复用器104与碲酸盐光子晶体光纤进行耦合。中间耦合器105为3dB耦合器,其分光比是50:50，106表示793nm的种子光，其为光脉冲，作为泵浦源，第三波分复用耦合器107将793nm的种子光耦合入掺铥光纤中，光隔离器108其作用是保证光沿着光隔离器108中箭头所示的单向传输而隔离反向传输的光，输出耦合器109作用是输出光隔离器108传输来的光中的部分光作为主动锁模光纤激光器输出的2μm波段激光(应当理解，本发明中输出的2μm波段激光中是2.025μm波长的激光)。主动锁模光纤激光器包括激光器环形腔，上述的单模光纤、掺铥光纤以及碲酸盐光子晶体光纤位于环形腔内。

在操作过程，掺铥光纤作为增益介质可以提供较大的增益，当谐振腔内增益大于损耗时，可以通过振荡不断对光脉冲进行放大。单模光纤的作用是调节谐振腔内的色散，具有高非线性的碲酸盐光子晶体光纤可以实现1.55μm与2.025μm脉冲的群速度匹配，作为主动锁模光纤激光器的锁模元器件，可以通过强度调制来实现主动锁模。

在本实施例中，1.55μm波长泵浦光脉冲的流向为：掺饵光纤放大器101→带通滤波器102→第一波分复用器103→碲酸盐光子晶体光纤→第二波分复用器104，然后流出。

793nm波长的种子光的流向为：第三波分复用器107→掺铥光纤→第四波分复用器100，然后流出；其中种子光在经过掺铥光纤时产生2.025μm波长的光。

2.025μm波长的光的流向顺次为：掺铥光纤→第四波分复用器100、光隔离器108、输出耦合器109、单模光纤、非线性光纤环形镜、第三波分复用器107，然后流回掺铥光纤。

2.025μm波长的光流入和流出非线性光纤环形镜的过程为：2.025μm波长的光从图1中中间耦合器105的左下端流入中间耦合器105[1]分为两路，一路在非线性光纤环形镜中顺时针流，流向顺次为：第一波分复用器103[0.5]、碲酸盐光子晶体光纤[0.5]、第二波分复用器104[0.5]，然后流回中间耦合器105[0.5]，另一路流向为：第二波分复用器104[0.5]、碲酸盐光子晶体光纤[0.5]、第一波分复用器103[0.5]，然后流回中间耦合器[0.5]，两路信号的输出在中间耦合105中合为一路[0.5]输出至第三波分复用器107。关于本段描述中[]中数值，是指流入中间耦合器105的信号强度为单位1时，经过3bB耦合器后在其他各部分上的信号强度，并忽略在非线性光纤环形镜中的衰减。

在本发明的另一实施例中，不具有上述的带通滤波器102，掺铒光纤放大器101连接至波分复用耦合器103，1.55μm波长的泵浦光脉冲直接到达波分复用耦合器103。在本发明的再一实施例中，种子光还可以采用波长为1550-1570nm的光脉冲。

本实施例提供一种基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器，主动锁模激光器包括激光器环形腔以及环形腔内的单模光纤、掺铥光纤以及碲酸盐光子晶体光纤，碲酸盐光子晶体光纤具有高非线性，可以实现1.55μm脉冲与2.025μm脉冲的群速度匹配，通过强度调制实现激光器的主动锁模。

请参考图2，碲酸盐光子晶体光纤是一种具有高非线性的群速度匹配光子晶体光纤，其为多层空气孔的正六边形结构，其纤芯直径a为8μm，所述光纤的包层直径b为57μm，所述光纤的空气孔之间的距离p为4μm，在2μm波段的非线性系数为143.6W^-1km^-1，可以实现1.55μm及2.025μm波段的群速度匹配，其群速度匹配曲线图请参考图3，其中群速度为一阶色散系数β₁的倒数。

本发明实施例采用“掺铒光纤放大器-可调带通滤波器-波分复用耦合器--碲酸盐光子晶体光纤-波分复用耦合器-3dB耦合器-掺铥光纤-光隔离器-输出耦合器-单模光纤”的操作流程，将掺铥光纤的泵浦光功率调至300mW以上，使激光器处于自由震荡的状态，注入1.55μm的泵浦光脉冲，峰值功率为10W，脉冲宽度为1.8ps,重复频率为40GHz,采用的单模光纤长度、掺铥光纤、碲酸盐光子晶体光纤的长度分别是：0.5米、1.5米、0.9445米。单模光纤、掺铥光纤以及碲酸盐光子晶体光纤所对应的非线性系数分别是：1W^-1km^-1、3W^-1km^-1、以及143.6W^-1km^-1。2.025μm的信号光通过3dB耦合器进入到非线性光纤环形镜中分为功率相同的两束光，分别沿着顺时针以及逆时针传播，由于构成非线性光纤环形镜的碲酸盐光子晶体光纤具有群速度匹配的特性，进入非线性光纤环形镜中的信号光与注入的1.55μm泵浦光发生交叉相位调制作用，从而实现对信号光的调制作用，从环形镜中输出的光一部分由输出耦合器输出，其余部分继续在激光器谐振腔内进行传播，不断在腔内进行振荡直到最后实现稳定的脉冲输出。

光脉冲在掺铥光纤中的传播过程用下述金兹朗道方程来表述：

其中，A表示光脉冲包络的慢变振幅，z表示光纤中脉冲的传播距离，β₂表示二阶色散系数，γ表示非线性系数，T₂表示驰豫时间，T₂＝1/△ω,其中△ω是掺铥光纤的增益带宽，△ω＝2πc△λ/λ²，c是真空中的光速，△λ是半极大全宽波长带宽，λ是中心波长，α是光纤损耗，g₀是增益光纤的饱和吸收系数。

泵浦光和信号光在非线性光纤环形镜中的传播过程可以用以下非线性薛定谔方程组表述：

其中，A₁、A₂分别是1.55μm和2.025μm脉冲的慢变振幅，β_2j,β_3j(j＝1,2)分别是两脉冲对应的二阶和三阶色散系数。

请参考图4及图5，图4及图5分别为稳定状态下所述主动锁模激光器的输出脉冲演化图及光谱图。本发明实施例的一个优势在于可以通过调整泵浦光脉冲以及激光器谐振腔内的不同参数来实现重复频率、脉冲宽度以及峰值功率的可调性，例如：调节泵浦光脉冲宽度。

请参考图6，当泵浦脉冲宽度较大时，输出峰值功率有明显的下降，这是因为更宽的脉冲需要更多的增益才能保持相同的峰值功率。同时，泵浦和激光输出之间的脉冲宽度之间具有传递关系，泵浦光可以有效的调制输出脉冲的宽度。

根据上述方案可知，本发明基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器通过强度调制实现主动锁模，群速度匹配光子晶体光纤可以实现1.55μm与2μm波段(尤其是1.55μm与2.025μm波长)的群速度匹配，通过所述群速度匹配光子晶体光纤实现全光调制，产生2μm波段高重复频率脉冲。主动锁模光纤激光器具有可调的重复频率、脉冲宽度以及峰值功率等优点，可以有效的产生超过40GHz的高重复频率脉冲。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器，用于产生2μm波段激光，其特征在于，包含：

掺饵光纤放大器，用于产生1.55μm波长的泵浦光脉冲；

非线性光纤环形镜，包含依次连接成环形的第一波分复用器、用于实现群速度匹配的非线性的碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器以及中间耦合器；以及，

依次连接成环形的所述中间耦合器、用于接入种子光的第三波分复用器、掺铥光纤、第四波分复用器、光隔离器、用于输出2μm波段激光的输出耦合器、单模光纤；

其中，所述基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器的各部分的连接关系还被下述信号的流向所限定：

所述1.55μm波长的泵浦光脉冲的信号流向顺次为：掺饵光纤放大器、第一波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器，然后流出；

种子光的流向顺次为：第三波分复用器、掺铥光纤、第四波分复用器，然后流出；其中种子光在经过掺铥光纤时产生2.025μm波长的光；

2.025μm波长的光的流向顺次为：掺铥光纤、第四波分复用器、光隔离器、输出耦合器、单模光纤、非线性光纤环形镜、第三波分复用器，然后流回掺铥光纤。

2.根据权利要求1所述的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器，其特征在于，所述基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器的各部分的连接关系还被下述信号的流向所限定：

2.025μm波长的光流入和流出非线性光纤环形镜的过程为：2.025μm波长的光流入中间耦合器后分为两路，一路流向顺次为：第一波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第二波分复用器，然后流回中间耦合器，另一路流向为：第二波分复用器、碲酸盐光子晶体光纤、第一波分复用器，然后流回中间耦合器两路信号的输出在中间耦合中合为一路输出至第三波分复用器。

3.根据权利要求1所述的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器，其特征在于，还包括：

带通滤波器，连接在掺饵光纤放大器与第一波分复用器之间，用于调节1.55μm波长的泵浦光脉冲的宽度。

4.根据权利要求1所述的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器，其特征在于，还包括：

环形腔，所述单模光纤、所述掺铥光纤以及所述碲酸盐光子晶体光纤位于该环形腔内。

5.根据权利要求1所述的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器，其特征在于，碲酸盐光子晶体光纤为可以实现1.55μm与2.025μm波长的群速度匹配的非线性光纤，具有多层空气孔的正六边形结构，纤芯直径为8μm，包层直径为57μm，空气孔之间的距离为4μm。

6.根据权利要求1所述的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器，其特征在于，所述基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器是采用全光强度调制的方式实现激光器的主动锁模的激光器。

7.根据权利要求1所述的基于群速度匹配光子晶体光纤的主动锁模光纤激光器，其特征在于，所述中间耦合器为3dB耦合器，分光比是50:50。