CN111884026B - 一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，旨在解决现有被动锁模光纤激光器难以产生高重复频率超短脉冲的技术问题。所述系统包括一条主线路与三条支线路，主线路输入的光载波信号与第一支线路输入的可调微波信号经强度调制器，输出调制光信号；调制光信号经光纤色散效应作用后与第二支线路输入的第一泵浦光脉冲在第一硅基波导中传输，在四波混频效应的作用下产生第一闲频光；第一闲频光经两次色散效应作用后与第三支线路输入的第二泵浦光脉冲在第二硅基波导中传输，在四波混频效应的作用下产生第二闲频光，第二闲频光经光纤色散效应作用后输出超短脉冲序列；通过调节微波信号频率，能实现重复频率可调的超短激光脉冲输出。

Description

一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别涉及一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统的设计。

背景技术

高重复频率超短脉冲光源在高速光通信系统、光信号处理、高速光学采样、光学频率梳、太赫兹波产生和材料加工等领域均有着重要的应用，是国际上的研究热点之一。早期的高重复频率超短脉冲主要是由固体激光器产生，其输出脉冲具有高功率和窄脉宽等优点。然而，由于传统固体激光器需要水冷以及空间分立器件的准直，使得其无法满足光学系统小型化、低成本的要求。光纤激光器因具有能量转换效率高、散热好和无需准直等诸多优点，被认为是有望全面替代固体激光器的新一代激光器。近年来，被动锁模光纤激光器由于其良好的稳定性、小巧的体积、方便携带、成本低等优点而越来越受到人们的青睐。被动锁模是指利用谐振腔中的光纤或其它器件的非线性光学效应对输入脉冲的强度依赖性，实现激光器内各纵模间的相位锁定，进而输出稳定的超短光脉冲。

目前，被动锁模光纤激光器主要采用两种方法来产生高重复频率的超短脉冲：基频锁模或谐波锁模。对于基频锁模，锁模光纤激光器的重复频率与腔长成反比，因此，要提高光纤激光器的重复频率就要缩短谐振腔的长度。然而，由于缩短了激光器的腔长，意味着增益介质(掺杂光纤)也会变短，而普通增益光纤的掺杂浓度较低、增益系数较小，这会造成光脉冲在激光腔中得不到足够的增益；同时，短腔中由于单位时间腔内脉冲数目增加，单个脉冲能量减少，可能会造成腔内非线性效应不足，从而导致激光器无法锁模。此外，一般的被动锁模光纤激光器由若干分立的光纤型元器件组成，如波分复用器、隔离器和输出耦合器等，这些元器件一般具有5cm左右的封装长度，且器件之间的熔接也需要一定长度的尾纤，从而限制了谐振腔长度所能达到的最小值，这不利于进一步提高光纤激光器的重复频率。基于以上原因，当前利用基频锁模技术所能实现的脉冲重复频率大多小于500MHz，这远远不能满足目前许多应用领域对高重复频率脉冲光源特别是重复频率在几GHz甚至几十GHz的脉冲光源的需要。尽管采用谐波锁模技术能够获得GHz量级的光脉冲，但由于谐波锁模的特性使得输出脉冲序列具有较大的时间抖动和强度抖动，同时，由于泵浦起伏引入的扰动也会使输出脉冲的稳定性变差，限制了其在光电子学领域的应用。因此，需要开发新技术来实现高重复频率的超短脉冲光源，满足现代众多科学应用领域的实际需要，特别是高速光学采样和光学频率梳等对低时间抖动、高重复频率脉冲光源的需要。

发明内容

为解决现有被动锁模光纤激光器中难以产生稳定的高重复频率超短脉冲的技术问题，本发明提出一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统。

本发明采用的技术方案为：一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，包括：单模激光器1、偏振控制器2、强度调制器3、微波源4、微波放大器5、第一隔离器6、第一光纤放大器7、第二隔离器8、锁模光纤激光器9、光纤耦合器10、第一色散补偿光纤11、第二光纤放大器12、第三隔离器13、第二色散补偿光纤14、第一扫描光延迟线15、第一波分复用器16、第一硅基波导17、第三色散补偿光纤18、第一光学滤波器19、第一普通单模光纤20、第三光纤放大器21、第四隔离器22、第四光纤放大器23、第五隔离器24、第二普通单模光纤25、第二扫描光延迟线26、第二波分复用器27、第二硅基波导28、第三普通单模光纤29和第二光学滤波器30；

所述单模激光器1、偏振控制器2、强度调制器3、第一隔离器6、第一光纤放大器7、第二隔离器8、第二色散补偿光纤14、第一扫描光延迟线15、第一波分复用器16、第一硅基波导17、第三色散补偿光纤18、第一光学滤波器19、第四光纤放大器23、第五隔离器24、第二普通单模光纤25、第二扫描光延迟线26、第二波分复用器27、第二硅基波导28、第三普通单模光纤29和第二光学滤波器30依次连接；

所述微波源4、微波放大器5和强度调制器3依次连接；

所述锁模光纤激光器9、光纤耦合器10、第一色散补偿光纤11、第二光纤放大器12、第三隔离器13和第一扫描光延迟线15依次连接；

所述锁模光纤激光器9、光纤耦合器10、第一普通单模光纤20、第三光纤放大器21、第四隔离器22和第二扫描光延迟线26依次连接。

进一步地，单模激光器1为分布反馈式激光器，输出光载波信号的中心波长λ₀为：1550nm。

进一步地，微波源4的输出信号频率可调，其频率范围满足：10GHz≤f_RF≤40GHz。

进一步地，锁模光纤激光器9的输出脉冲时域形状为高斯形。

进一步地，记第二色散补偿光纤14的群延迟色散为D₁，第三色散补偿光纤18的群延迟色散为D₂，第二普通单模光纤25的群延迟色散为D₃，第三普通单模光纤29的群延迟色散为D₄，第一色散补偿光纤11的群延迟色散为D_p1，第一普通单模光纤20的群延迟色散为D_p2，当D₁、D₂、D₃、D₄、D_p1、D_p2满足以下条件：

则第三普通单模光纤29中输出的光脉冲与经第一光纤放大器7功率放大后的光脉冲之间的关系表示为：

其中，D_in表示输入部分光纤的群延迟色散，D_out表示输出部分光纤的群延迟色散，E₁₂表示从第三普通单模光纤29中输出的光场，E₃表示经第一光纤放大器7功率放大后的双边带调制光信号的光场，M为压缩因子，M＝-D_out/D_in，且M<<1。

进一步地，第一色散补偿光纤11、第二色散补偿光纤14、第三色散补偿光纤18均在1550nm处具有正色散。

进一步地，第一普通单模光纤20、第二普通单模光纤25、第三普通单模光纤29均在1550nm处具有负色散。

进一步地，第一光纤放大器7、第二光纤放大器12、第三光纤放大器21和第四光纤放大器23均为掺铒光纤放大器。

本发明的有益效果：本发明的系统包括一条主线路与三条支线路，主线路输入的光载波信号与第一支线路输入的可调微波信号经强度调制器，输出双边带调制光信号；双边带调制光信号经光纤群速度色散效应作用后与第二支线路输入的第一泵浦光脉冲在第一硅基波导中传输，在四波混频效应的作用下产生第一闲频光；第一闲频光经两次群速度色散效应作用后与第三支线路输入的第二泵浦光脉冲在第二硅基波导中传输，在四波混频效应的作用下产生第二闲频光，第二闲频光经光纤群速度色散效应作用后输出超短脉冲序列；通过调节微波信号频率，能实现重复频率可调的超短脉冲输出；本发明的系统具备以下优点：

1、当系统参数满足条件时，可输出高重复频率超短脉冲序列；

2、通过调节微波源输出信号的频率，能实现重复频率可调的超短激光脉冲输出，大大降低了系统的成本，增强了该系统的适用范围；

3、本发明的系统所用器件均为普通器件，都已经商用化，使得本发明的方法易于实施；

4、本发明的系统结构紧凑，操作方便，稳定性好。

附图说明

图1为本发明提供的一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统结构示意图。

图2为本发明实施例中当微波信号的频率f_RF取10GHz时，经第三普通单模光纤输出的高重复频率超短脉冲时域图。

图3为本发明实施例中当微波信号的频率f_RF取40GHz时，经第三普通单模光纤输出的高重复频率超短脉冲时域图。

附图标记说明：1—单模激光器、2—偏振控制器、3—强度调制器、4—微波源、5—微波放大器、6—第一隔离器、7—第一光纤放大器、8—第二隔离器、9—锁模光纤激光器、10—光纤耦合器、11—第一色散补偿光纤、12—第二光纤放大器、13—第三隔离器、14—第二色散补偿光纤、15—第一扫描光延迟线、16—第一波分复用器、17—第一硅基波导、18—第三色散补偿光纤、19—第一光学滤波器、20—第一普通单模光纤、21—第三光纤放大器、22—第四隔离器、23—第四光纤放大器、24—第五隔离器、25—第二普通单模光纤、26—第二扫描光延迟线、27—第二波分复用器、28—第二硅基波导、29—第三普通单模光纤、30—第二光学滤波器。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明提供了一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，如图1所示，包括单模激光器1、偏振控制器2、强度调制器3、微波源4、微波放大器5、第一隔离器6、第一光纤放大器7、第二隔离器8、锁模光纤激光器9、光纤耦合器10、第一色散补偿光纤11、第二光纤放大器12、第三隔离器13、第二色散补偿光纤14、第一扫描光延迟线15、第一波分复用器16、第一硅基波导17、第三色散补偿光纤18、第一光学滤波器19、第一普通单模光纤20、第三光纤放大器21、第四隔离器22、第四光纤放大器23、第五隔离器24、第二普通单模光纤25、第二扫描光延迟线26、第二波分复用器27、第二硅基波导28、第三普通单模光纤29和第二光学滤波器30；

所述单模激光器1、偏振控制器2、强度调制器3、第一隔离器6、第一光纤放大器7、第二隔离器8、第二色散补偿光纤14、第一扫描光延迟线15、第一波分复用器16、第一硅基波导17、第三色散补偿光纤18、第一光学滤波器19、第四光纤放大器23、第五隔离器24、第二普通单模光纤25、第二扫描光延迟线26、第二波分复用器27、第二硅基波导28、第三普通单模光纤29和第二光学滤波器30依次连接；

所述微波源4、微波放大器5和强度调制器3依次连接；

所述锁模光纤激光器9、光纤耦合器10、第一色散补偿光纤11、第二光纤放大器12、第三隔离器13和第一扫描光延迟线15依次连接；

所述锁模光纤激光器9、第一光纤耦合器10、第一普通单模光纤20、第三光纤放大器21、第四隔离器22和第二扫描光延迟线26依次连接。

其中，单模激光器1为分布反馈式激光器，本发明实施例中，单模激光器1采用中心波长为1550nm的分布反馈式激光器。

强度调制器3采用Eospace公司的铌酸锂(LiNbO₃)电光强度调制器，其调制带宽为40GHz。

微波源4采用Rohde&Schwarz公司的微波信号发生器，可以输出频率满足10GHz≤f_RF≤40GHz的微波信号。

锁模光纤激光器9为被动锁模掺铒光纤激光器，其输出脉冲形状为高斯形。

第二色散补偿光纤14和第三色散补偿光纤18可采用长飞公司生产的色散补偿光纤，其长度均为0.6km，在1550nm处其色散系数β₂为180ps²/km。

第一色散补偿光纤11采用长飞公司生产的色散补偿光纤，其长度为1.2km，在1550nm处其色散系数β₂为180ps²/km。

第二普通单模光纤25和第三普通单模光纤29采用Corning公司生产的普通单模光纤，其长度均为80m，在1550nm处其色散系数β₂为-23ps²/km。

第一普通单模光纤20采用Corning公司生产的普通单模光纤，其长度为160m，在1550nm处其色散系数β₂为-23ps²/km。

第一光纤放大器7、第二光纤放大器12、第三光纤放大器21和第四光纤放大器23均为掺铒光纤放大器。

本发明中涉及的工作原理及数值模拟方法具体如下：

由单模激光器1输出一个中心波长λ₀为1550nm的连续光信号作为光载波信号，其光场表示为：E_LD＝E₀exp(-i2πf₀t)，其中E₀表示光载波的振幅，i为虚数单位，t表示时间，f₀是中心频率，其值为f₀＝c/λ₀＝193.55THz。由微波源4输出一个频率f_RF在10～40GHz范围可调的微波信号，其电场表示为：E_RF＝E₁cos(2πf_RFt)，其中E₁表示微波信号的振幅。通过调节输入强度调制器3的直流偏置电压和微波信号功率，使其输出双边带调制光信号，其光场表示为：

式中，m表示调制参数。

双边带调制光信号经第一光纤放大器7功率放大后，其光场可以表示为：

式中，g₁表示第一光纤放大器7的增益。

将锁模光纤激光器9输出的高斯脉冲作为第一泵浦光输入至第一色散补偿光纤11中进行传输，在光纤中的群速度色散效应作用下，输出脉冲具有线性啁啾，其电场可以表示为：

E₄＝|E₄|exp(iφ₁) (3)

式中，φ₁表示啁啾高斯脉冲的时域相位，有：

式中，D_p1表示第一色散补偿光纤11的群延迟色散。

将放大后的双边带调制光信号输入至第二色散补偿光纤14中进行传输，在光纤中的群速度色散效应作用下，其输出电场可以表示为：

式中，

表示卷积运算；G₁是第二色散补偿光纤14的响应函数，有：

式中，D₁表示第二色散补偿光纤14的群延迟色散。

随后，将经第二光纤放大器12功率放大后的第一泵浦光脉冲和经第二色散补偿光纤14输出的调制光信号一同输入至第一硅基波导17中传输，在四波混频效应的作用下产生第一闲频光，其电场可以表示为：

式中，*表示共轭。

随后，将第一闲频光信号输入至第三色散补偿光纤18中进行传输，在光纤中的群速度色散效应作用下，其输出电场可以表示为：

式中，G₂是第三色散补偿光纤18的响应函数，有：

式中，D₂表示第三色散补偿光纤18的群延迟色散。

从第三色散补偿光纤18中输出的第一闲频光信号经第四光纤放大器23功率放大后，其光场可以表示为：

式中，g₂表示第四光纤放大器23的增益。

将锁模光纤激光器9输出的高斯脉冲作为第二泵浦光输入至第一普通单模光纤20中进行传输，在光纤中的群速度色散效应作用下，输出脉冲具有线性啁啾，其电场可以表示为：

E₉＝|E₉|exp(iφ₂) (11)

式中，φ₂表示啁啾高斯脉冲的时域相位，有：

式中，D_p2表示第一普通单模光纤20的群延迟色散。

将经第四光纤放大器23功率放大后的第一闲频光脉冲输入至第二普通单模光纤25中进行传输，在光纤中的群速度色散效应作用下，其输出电场可以表示为：

式中，G₃是第二普通单模光纤25的响应函数，有：

式中，D₃表示第二普通单模光纤25的群延迟色散。

随后，将经第三光纤放大器21功率放大后的第二泵浦光脉冲和经第二普通单模光纤25输出的第一闲频光一同输入至第二硅基波导28中传输，在四波混频效应的作用下产生第二闲频光，其电场可以表示为：

随后，将第二闲频光信号输入至第三普通单模光纤29中进行传输，在光纤中的群速度色散效应作用下，其输出电场可以表示为：

式中，G₄是第三普通单模光纤29的响应函数，有：

式中，D₄表示第三普通单模光纤29的群延迟色散。

可以证明，当系统参数满足如下条件时：

其中，D_in表示输入部分光纤的群延迟色散，D_out表示输出部分光纤的群延迟色散。

则第三普通单模光纤29中输出的光脉冲与经第一光纤放大器7功率放大后的光脉冲之间的关系可以表示为：

式中，M为压缩因子，有：

由式(20)可以看出，当M<<1时，可以在第三普通单模光纤29的输出端获得高重复频率超短脉冲序列。本实施例中M的值小于或等于0.1。

根据本发明提出的高重复频率的超短激光脉冲光源系统建立数值模型。部分仿真参数为：光载波信号的中心频率f₀为193.55THz；微波信号的调制参数m取π/2；第二色散补偿光纤14和第三色散补偿光纤18的长度均为0.6km，在1550nm处其色散系数β₂为180ps²/km；第二普通单模光纤25和第三普通单模光纤29的长度均为80m，在1550nm处其色散系数β₂为-23ps²/km。

本领域的技术人员应注意，本发明中第二色散补偿光纤14和第三色散补偿光纤18的群延迟色散相等，第二普通单模光纤25和第三普通单模光纤29的群延迟色散相等，即满足第二色散补偿光纤14和第三色散补偿光纤18各自长度与色散系数乘积相等，第二普通单模光纤25和第三普通单模光纤29各自长度与色散系数乘积相等；则系统能获得高重复频率超短脉冲序列。

对本发明提供的高重复频率的超短激光脉冲光源系统进行了数值模拟，其结果如下：

图2所示是当微波信号的频率f_RF取10GHz时，经第二普通单模光纤输出的高重复频率超短脉冲时域图。从中可以看到，相邻两个脉冲之间的间隔为100ps，对应的脉冲重复频率为10GHz，与微波信号的频率相等。脉冲宽度(半高全宽)为0.86ps，验证了本系统可以实现几十GHz量级的高重复频率超短激光脉冲输出。

图3所示是当微波信号的频率f_RF取40GHz时，经第二普通单模光纤输出的高重复频率超短脉冲时域图。从中可以看到，相邻两个脉冲之间的间隔为25ps，对应的脉冲重复频率为40GHz，与微波信号的频率相等。脉冲宽度(半高全宽)为0.62ps，验证了本系统可以实现重复频率可调的超短激光脉冲输出。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，其特征在于，包括：单模激光器(1)、偏振控制器(2)、强度调制器(3)、微波源(4)、微波放大器(5)、第一隔离器(6)、第一光纤放大器(7)、第二隔离器(8)、锁模光纤激光器(9)、光纤耦合器(10)、第一色散补偿光纤(11)、第二光纤放大器(12)、第三隔离器(13)、第二色散补偿光纤(14)、第一扫描光延迟线(15)、第一波分复用器(16)、第一硅基波导(17)、第三色散补偿光纤(18)、第一光学滤波器(19)、第一普通单模光纤(20)、第三光纤放大器(21)、第四隔离器(22)、第四光纤放大器(23)、第五隔离器(24)、第二普通单模光纤(25)、第二扫描光延迟线(26)、第二波分复用器(27)、第二硅基波导(28)、第三普通单模光纤(29)和第二光学滤波器(30)；

所述单模激光器(1)、偏振控制器(2)、强度调制器(3)、第一隔离器(6)、第一光纤放大器(7)、第二隔离器(8)、第二色散补偿光纤(14)、第一扫描光延迟线(15)、第一波分复用器(16)、第一硅基波导(17)、第三色散补偿光纤(18)、第一光学滤波器(19)、第四光纤放大器(23)、第五隔离器(24)、第二普通单模光纤(25)、第二扫描光延迟线(26)、第二波分复用器(27)、第二硅基波导(28)、第三普通单模光纤(29)和第二光学滤波器(30)依次连接；

所述微波源(4)、微波放大器(5)和强度调制器(3)依次连接；

所述锁模光纤激光器(9)、光纤耦合器(10)、第一色散补偿光纤(11)、第二光纤放大器(12)、第三隔离器(13)和第一扫描光延迟线(15)依次连接；

所述锁模光纤激光器(9)、光纤耦合器(10)、第一普通单模光纤(20)、第三光纤放大器(21)、第四隔离器(22)和第二扫描光延迟线(26)依次连接；

记第二色散补偿光纤(14)的群延迟色散为D₁，第三色散补偿光纤(18)的群延迟色散为D₂，第二普通单模光纤(25)的群延迟色散为D₃，第三普通单模光纤(29)的群延迟色散为D₄，第一色散补偿光纤(11)的群延迟色散为D_p1，第一普通单模光纤(20)的群延迟色散为D_p2，D₁、D₂、D₃、D₄、D_p1、D_p2满足以下条件：

其中，D_in表示输入部分光纤的群延迟色散，D_out表示输出部分光纤的群延迟色散。

2.根据权利要求1所述的一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，其特征在于，单模激光器(1)为分布反馈式激光器，输出光载波信号的中心波长λ₀为：1550nm。

3.根据权利要求2所述的一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，其特征在于，微波源(4)的输出信号频率可调，其频率范围满足：10GHz≤f_RF≤40GHz。

4.根据权利要求3所述的一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，其特征在于，锁模光纤激光器(9)的输出脉冲时域形状为高斯形。

5.根据权利要求4所述的一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，其特征在于，第三普通单模光纤(29)中输出的光脉冲与经第一光纤放大器(7)功率放大后的光脉冲之间的关系表示为：

其中，E₁₂表示从第三普通单模光纤(29)中输出的光场，E₃表示经第一光纤放大器(7)功率放大后的双边带调制光信号的光场，M为压缩因子，M＝-D_out/D_in，且M<<1。

6.根据权利要求5所述的一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，其特征在于，第一色散补偿光纤(11)、第二色散补偿光纤(14)、第三色散补偿光纤(18)均在1550nm处具有正色散。

7.根据权利要求6所述的一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，其特征在于，第一普通单模光纤(20)、第二普通单模光纤(25)、第三普通单模光纤(29)均在1550nm处具有负色散。

8.根据权利要求7所述的一种高重复频率的超短激光脉冲光源系统，其特征在于，第一光纤放大器(7)、第二光纤放大器(12)、第三光纤放大器(21)和第四光纤放大器(23)均为掺铒光纤放大器。

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