CN110797742A - 一种高重复频率的全保偏9字腔锁模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高重复频率的全保偏字腔锁模激光器，包括泵浦源、非互易移相器、波分复用器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一偏振分束器、第三半波片、第二偏振分束器、第一半波片和反射镜，非互易移相器由依次放置的第二半波片、第一法拉第旋光器、四分之一波片和第二法拉第旋光器组成，波分复用器包括公共端、信号光端和泵浦端，泵浦源与波分复用器的泵浦端相连，波分复用器的信号光端与第一光纤准直器连接，波分复用器的公共端通过掺铒光纤与第二光纤准直器连接，第二光纤准直器的输出端依次设置有非互易移相器、第一偏振分束器、第三半波片、第二偏振分束器和反射镜；第一光纤准直器的输出光经过第一半波片后入射至第一偏振分束器。

Description

一种高重复频率的全保偏9字腔锁模激光器

技术领域

本发明涉及光学频率梳、微波光子学、光纤传输网络的授时及同步等领域，特别是涉及一种高重复频率的9字腔锁模激光器，重复频率可达250MHz。

背景技术

近年来，光纤飞秒激光器以其成本低、结构紧凑、易集成、易携带、稳定性良好等优点在光通信、军事、光检测、医疗等研究领域受到越来越多的关注。其中，被动锁模光纤激光器由于输出脉冲窄、系统简单、环境稳定性高等优势在科学研究和工业产业应用中倍受青睐。在被动锁模光纤激光器中，重复频率是主要技术指标之一，众多的应用领域，如光学频率梳、微波光子学、光纤传输网络的授时及同步等，均对锁模光纤激光器的重复频率提出了更高的要求。利用飞秒激光频率梳进行频率测量中,参与拍频的梳齿能量与飞秒激光器的重复频率紧密相关，重复频率为GHz量级的激光器，由于单脉冲能量下降和激光器噪声较大，拍频信号的信噪比会比重复频率为百兆赫兹量级的低，但是当激光器的重复频率太低时前一个脉冲和后一个脉冲之间噪声差异会很大，直观表现就是两次拍频信号的偏移会变大，而探测器测量的总是平均结果，从而信噪比比较低，因此现在人们普遍认为百兆到几百兆是光频梳重复频率的最佳范围。微波光子学需要光纤激光器具有高重复频率和低噪声，至百兆赫兹量级的高重复频率可以为高精度光谱仪定标、也可以作为新的微波源。在基于光纤传输网络的授时及同步领域中,也需要用到低时域抖动、高重复频率的飞秒光纤激光器，计算表明,光纤授时的时延抖动与激光器的重复频率成反比，提高飞秒激光器的重复频率成为降低光纤授时时延抖动的关键技术之一。

光纤激光器的被动锁模机制按照可饱和吸收体进行划分，可分为真实可饱和吸收体锁模和等效可饱和吸收体锁模两种。真实可饱和吸收体包括半导体可饱和吸收镜、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、拓扑绝缘体和二硫化钼等。基于真实可饱和吸收体锁模的光纤激光器可以实现全保偏光纤结构，具有良好的环境稳定性，同时锁模自启动特性良好，但是真实可饱和吸收体的损伤阈值较低，输出功率较低，并且随着长时间使用可饱和吸收体的性能会退化，严重影响锁模效果。基于等效可饱和吸收体锁模的方法目前有两种，分别是非线性偏振旋转(NPR)锁模和非线性放大环形镜(NALM)锁模。非线性偏振旋转锁模通过脉冲偏振态在光纤内的演化实现，可以获得较好的激光器输出性能，但是无法实现全保偏化，环境稳定性较差。非线性放大环形镜锁模通过光纤环路中相向传输的两束光积累的不同非线性相移，在交汇处利用干涉效应引入强度相关损耗，形成等效可饱和吸收效应实现锁模。近年来，国内外学者提出在非线性放大环形镜中加入非互易性移相器可提高激光器的锁模自启动性能，重复频率也由典型的10MHz量级提升至几十甚至百MHz量级。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种高重复频率的全保偏9字腔锁模激光器。该激光器能够稳定工作在较高重复频率下，可达250MHz，采用全保偏光纤，受环境影响较小，具有良好的鲁棒性。同时该激光器输出脉冲宽度窄，输出功率高，时间抖动小，且锁模自启动好，可作为实验研究和工业应用的良好超短脉冲光源。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高重复频率的全保偏字腔锁模激光器，包括泵浦源、非互易移相器、波分复用器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一偏振分束器、第三半波片、第二偏振分束器、第一半波片和反射镜，所述非互易移相器由依次放置的第二半波片、第一法拉第旋光器、四分之一波片和第二法拉第旋光器组成，所述波分复用器包括公共端、信号光端和泵浦端，所述泵浦源与波分复用器的泵浦端相连，所述波分复用器的信号光端与所述第一光纤准直器连接，波分复用器的公共端通过掺铒光纤与第二光纤准直器连接，第二光纤准直器的输出端依次设置有所述非互易移相器、第一偏振分束器、第三半波片、第二偏振分束器和反射镜；第一光纤准直器的输出光经过第一半波片后入射至第一偏振分束器。

进一步的，所述泵浦源为980nm的半导体二极管。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明9字腔锁模激光器的重复频率可达250MHz。两个光纤准直器分别位于波分复用器末端和掺铒光纤末端，由于重复频率与激光器腔长成倒数关系，在光纤末端直接定制加工光纤准直器可以尽可能缩短光纤的长度，从而提高激光器的重复频率，满足光学频率梳、微波光子学、光纤传输网络的授时及同步等领域对高重复频率的要求。

2.本发明激光器采用全保偏结构，环境稳定性很好，对腔内光纤施加应力或弯折腔内光纤，其锁模状态均不受影响，可在实验室作为稳定的飞秒激光源，也可集成为工业产品应用于光通信、军事、光检测、医疗等众多领域。

3.该激光器的空间光路由非互易性移相器、偏振分束器、半波片和反射镜组成。其中非互易性移相器由半波片、法拉第旋光器和四分之一波片组成，在相反方向传播的光之间引入附加相位差，可提高锁模的自启动性能。

4.本发明激光器采用了非线性放大环形镜锁模机制。从PBS入射到激光器环路的脉冲被分解为水平偏振和竖直偏振两个互相垂直的偏振分量，并分别沿顺时针和逆时针方向传输。由于相向传输的脉冲在保偏光纤内经历的不对称放大，以及非互易性相位偏置器提供的偏置相移，导致相向传输的脉冲在非线性放大环形镜内积累的非线性相移不同。相比于脉冲两翼，脉冲中心部分的能量更高，积累的非线性相移差更多，若在PBS处发生干涉时脉冲中心部分透过率较高而两翼透过率较低，则非线性放大环形镜等效于可饱和吸收体，激光器可实现稳定锁模运转。基于这种锁模机制的激光器具有高质量的输出脉冲序列，输出脉冲宽度窄，输出功率高且时间抖动小。

附图说明

图1是本发明激光器的结构示意图。

图2是非线性放大环形镜的透过率与脉冲两个垂直偏振分量间非线性相移差的关系图。

图3为非互易移相器的示意图。

附图标记：1-泵浦源，2-掺铒光纤，3-波分复用器，4-第一光纤准直器，5-第一半波片，6-第二光纤准直器，7-第二半波片，8-第一法拉第旋光器，9-四分之一波片，10-第二法拉第旋光器，11-第一偏振分束器，12-第三半波片，13-第二偏振分束器，14-反射镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所涉及的高重复频率的全保偏9字腔锁模激光器采用了非线性放大环形镜锁模机制。该全保偏9字腔锁模激光器由光纤部分和空间部分构成，如图1所示。光纤部分由掺铒光纤2和波分复用器3直接熔接而成。波长980nm的半导体二极管作为泵浦源1与波分复用器3的泵浦端相连，作为泵浦源输入。第一光纤准直器4位于波分复用器3的信号光端，掺铒光纤2一端连接波分复用器3的公共端，第二光纤准直器6位于掺铒光纤另一端。可将光纤末端直接定制加工成光纤准直器能够尽可能缩短此处光纤的长度，从而提高激光器的重复频率。本实施例中高重复频率的9字腔锁模激光器中的所有光纤器件均为保偏器件且仅慢轴方向通光，因此光信号在保偏光纤内仅沿慢轴方向传输。空间光路部分由非互易性移相器、第一偏振分束器11和第二偏振分束器13、第一半波片5，第二半波片7和第三半波片12和反射镜14组成。假设锁模激光绕环传输的起点位于第二偏振分束器13之后，透射过第二偏振分束器13的线偏光经过第三半波片12旋转偏振态后在第一偏振分束器11处分束，分解为竖直偏振和水平偏振两个互相垂直的偏振分量，并分别沿顺时针和逆时针方向传输。通过第一半波片5和第二半波片7的调节，沿顺时针和逆时针传输的光均耦合至保偏光纤的慢轴方向，发生不对称放大并积累不同的非线性相移，传输一周后在第一偏振分束器11处合束，合束光经过第一偏振分束器11后均向右传输。经过第三半波片12后，沿顺时针方向和逆时针方向传输的光在第二偏振分束器13处透射的水平偏振方向及反射的竖直偏振方向上的投影分别发生干涉。在不改变第三半波片12角度的情况下，脉冲通过第二偏振分束器13的透过率(即水平偏振分量强度占总强度的比重)与脉冲在非线性放大环形镜中积累的非线性相移差相关。其中脉冲在第二偏振分束器13处反射的竖直偏振分量作为激光器的输出，透射的水平偏振分量被反射镜14反射后再次在第二偏振分束器13处透射，完成脉冲在腔内的一次循环。

高重复频率9字腔锁模激光器中，除反射镜14外，其余部分构成了一个非线性放大环形镜。相向传输的脉冲在非线性放大环形镜内积累的非线性相移差与脉冲在保偏光纤内的不对称放大及非互易性移相器提供的偏置相移紧密相关。与脉冲两翼相比，由于脉冲中心部分的能量高，非线性效应强，因此会积累更大的非线性相移差，在第二偏振分束器13处发生干涉时脉冲中心部分的透过率较高，而脉冲两翼的透过率较低，非线性放大环形镜等效于可饱和吸收体。

高重复频率9字腔锁模激光器中，利用非互易性移相器的不对称性，为非线性放大环形镜中相向传输的脉冲提供相移差。换句话说，加入非互易性光学元件可以提高基于非线性放大环形镜锁模机制的激光器的锁模自启动性能。图2展示了非线性放大环形镜的透过率与相向传输脉冲间的非线性相移差的关系。在脉冲形成初始阶段，入射非线性放大环形镜的光信号可以看作准连续光，此时非线性相移差为零。如果没有非互易性移相器，在脉冲形成的初始阶段，非线性放大环形镜的透射率相对于脉冲光强的斜率为零，如图2实线所示，这意味着激光器很难启动锁模，需要加入外部扰动或腔内调制器才可实现锁模。如果加入非互易性移相器，环路内相向传输的脉冲通过非互易性移相器，将会引入附加的相移差，可使透过率曲线发生平移。例如图2虚线所示，加入非互易性移相器引入π/2的相移，此时在非线性相移差接近零的脉冲形成初始阶段，非线性放大环形镜的透射率相对于脉冲光强的斜率为正，这意味着随着光强的提高，非线性相移差逐渐增大，透过率也相应增大，对应较小损耗。而脉冲两翼和腔内噪声由于能量弱，对应于较小的透过率和较大的损耗。从而实现等效可饱和吸收效应，有利于激光器实现稳定锁模运转以及锁模自启动。

本实施例中非互易性移相器由第二半波片7、第一法拉第旋光器8、第二法拉第旋光器9和四分之一波片9构成。非互易性移相器引起沿相反方向传播的光之间的相位差为π/2，示意图如图3所示。环路内顺时针传输的脉冲从第二光纤准直器6出射，经第二半波片7后偏振方向为竖直方向，通过第一法拉第旋光器8后偏振方向旋转45度，如图3实线箭头所示。环路内逆时针传输的脉冲从第一偏振分束器透射进入环路时偏振方向为水平方向，经过第二法拉第旋光器10后偏振方向旋转45度，如图3虚线箭头所示。在四分之一波片9处环路内相向传输的脉冲的偏振方向将正交，这时，如果精细调节四分之一波片9快慢轴的方向，使其中一个方向传播的光正好通过快轴，而另外一个方向的光则正好通过慢轴，即非互易性π/2移相器在相向传输的脉冲间引入了π/2的相位差。环路内顺时针传输的脉冲经过四分之一波片9后经过第二法拉第旋光器10偏振方向变为水平方向，在第一偏振分束器11处透射，如图3实线箭头所示。环路内逆时针传输的脉冲经过四分之一波片后经过第一法拉第旋光器8、第二半波片7后偏振方向变为竖直方向，第二光纤准直器6内并沿保偏光纤慢轴传输，如图3虚线箭头所示。

高重复频率可以通过缩短环路内光纤的长度来实现，例如，激光器中掺铒光纤2的型号为Nufern公司的PM-ESF-7/125，根据经验将长度取为0.60m。其余光纤均为保偏单模光纤，由于两个光纤准直器是分别在波分复用器末端和掺铒光纤末端直接定制加工而成的，可以尽可能缩短光纤的长度，只有波分复用器需要留有一段尾纤用于与掺铒光纤进行熔接，受熔接条件限制总长度可取为0.14m。环内自由空间光路总长约为0.07m，环外自由空间部分的光路总长约为0.025m，可知此时激光器的重复频率可达250MHz。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高重复频率的全保偏9字腔锁模激光器，其特征在于，包括泵浦源(1)、非互易移相器、波分复用器(3)、第一光纤准直器(4)、第二光纤准直器(6)、第一偏振分束器(11)、第三半波片(12)、第二偏振分束器(13)、第一半波片(5)和反射镜(14)，所述非互易移相器由依次放置的第二半波片(7)、第一法拉第旋光器(8)、四分之一波片(9)和第二法拉第旋光器(10)组成，所述波分复用器(3)包括公共端、信号光端和泵浦端，所述泵浦源(1)与波分复用器(3)的泵浦端相连，所述波分复用器(3)的信号光端与所述第一光纤准直器(4)连接，波分复用器(3)的公共端通过掺铒光纤(2)与第二光纤准直器(6)连接，第二光纤准直器(6)的输出端依次设置有所述非互易移相器、第一偏振分束器(11)、第三半波片(12)、第二偏振分束器(13)和反射镜(14)；第一光纤准直器(4)的输出光经过第一半波片(5)后入射至第一偏振分束器(11)。

2.根据权利要求1所述一种高重复频率的全保偏9字腔锁模激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)为980nm的半导体二极管。

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