發布時間：2021-09-22所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要報道了L波段摻鉺光纖激光器中調Q鎖模類噪聲方波脈沖的演化特性。通過改變泵浦功率以及偏振狀態，激光器可以在1600nm處實現類噪聲方波脈沖的連續波鎖模和調Q鎖模運作。類噪聲方波脈沖基頻鎖模重復率為1.64MHz，最大脈沖寬度為17.51ns。類噪聲方波脈沖調Q
摘要報道了L波段摻鉺光纖激光器中調Q鎖模類噪聲方波脈沖的演化特性。通過改變泵浦功率以及偏振狀態，激光器可以在1600nm處實現類噪聲方波脈沖的連續波鎖模和調Q鎖模運作。類噪聲方波脈沖基頻鎖模重復率為1.64MHz，最大脈沖寬度為17.51ns。類噪聲方波脈沖調Q鎖模的重復頻率可從8.14kHz可調諧至18.18kHz，調Q鎖模包絡寬度與方波脈沖寬度隨泵浦功率演化趨勢相反，調Q包絡的最高平均能量可達1115.5nJ，包絡內方波脈沖的最大平均能量可達24.89nJ，方波脈沖的峰值功率維持在1W左右。實驗結果有助于人們深入理解L波段調Q鎖模類噪聲方波脈沖的動力學特性。
關鍵詞光纖激光器;非線性偏振旋轉;類噪聲方波脈沖;調Q鎖模
1引言
超短脈沖激光在光纖通信、精密加工、生物醫學、軍用雷達等領域有著重要的應用價值及發展前景[1]。被動鎖模光纖激光器因結構簡單，激光腔內無需加入任何的主動器件可以產生超短脈沖的特點而備受關注[2]。被動鎖模的實現方法有兩種，一種是利用真實可飽和吸收體如拓撲絕緣體、過渡金屬硫化物等[3,4];另外一種是利用類可飽和吸收體，如非線性環路反射鏡、非線性偏振旋轉[5,6]。其中，基于非線性偏振旋轉鎖模的光纖激光器具有結構簡單、響應快速以及損傷閾值高等優點，引起了人們廣泛的關注和研究，成為目前產生超短脈沖的有效方法。到目前為止，人們已經在各種波長(如1μm，1.5μm和2.0μm)光纖激光器中獲得鎖模脈沖，隨著應用需求的拓展，傳統C波段(1530-1565nm)的有關研究逐漸地延伸到L波段(1565-1625nm)，L波段激光光源在密集波分復用系統、生物醫療和大氣遙感探測等領域有著重要的應用[7,8]，現已逐漸成為研究熱點[9]。
一般來說，光纖激光器中主要存在三種工作狀態：調Q、連續波鎖模以及調Q鎖模(QML)。其中，QML狀態因其能獲得高能量的脈沖而受到重視。QML包含了兩種光強度調制的機制：鎖模和調Q，其特征為鎖模脈沖序列上疊加了一個kHz量級的調Q包絡，因此QML脈沖兼具調Q和鎖模操作的物理特性[10-12]。除了調Q和調Q鎖模外，通過適當調節激光腔內的參數，在非線性偏振旋轉被動鎖模光纖激光器中還獲得了多種類型的鎖模脈沖，如傳統孤子、色散管理孤子、耗散孤子、類噪聲脈沖等[13-15]。與其他的孤子脈沖不同，類噪聲脈沖是一種部分相干脈沖，本質上是由大量的隨機次脈沖構成的波包。類噪聲脈沖具有很寬且平滑的光譜，其自相關跡表現為雙尺度的時域輪廓，即一個窄的相干峰位于很寬的基座上[16]。與傳統孤子脈沖相比，類噪聲脈沖具有更高的脈沖能量，特別是方波類噪聲脈沖，其能量可高達μJ量級，脈沖寬度可隨泵浦的增加而展寬[17]。基于這一優勢，人們對方波類噪聲脈沖及其動力學行為進行了大量的實驗研究，如諧波方波類噪聲脈沖產生[18]，方波類噪聲脈沖與孤子分子共存[19]、矩形類噪聲脈沖與高斯形類噪聲脈沖共存[20]、方波類噪聲脈沖與耗散孤子共振共存[21]，以及雙波長方波類噪聲脈沖可切換操作[22]等等。盡管已有很多關于QML和方波類噪聲脈沖的相關報道，但將兩個工作狀態相結合的研究還很少。因此，為了更好地理解光纖激光器中的脈沖動力學行為，對QML方波類噪聲脈沖的研究具有重要意義。
本文報道L波段摻鉺光纖激光器中QML類噪聲方波脈沖的演化特性。通過適當的調節腔參數，激光器可以在1600nm處實現類噪聲方波脈沖的連續波鎖模和QML運作。當泵浦功率從380mW增大到520mW，激光器工作在類噪聲鎖模區域，脈沖寬度可從12.71ns展寬到17.51ns。當泵浦源功率從180mW增大到360mW，激光器工作在類噪聲方波QML區域，調Q包絡寬度從12.56μs減小至7.94μs，而方波脈沖寬度從12.73ns展寬至24.77ns，包絡寬度與方波脈沖寬度演化趨勢相反，同時還對QML類噪聲方波脈沖的平均輸出能量和峰值功率進行了分析。研究結果有助于加深對類噪聲方波脈沖及其調Q鎖模機理和特性的理解。
2實驗裝置
圖1為調Q鎖模方波類噪聲脈沖光纖激光器原理示意圖。總腔長為125.3m，基頻重復率1.64MHz。為了實現L波段激光輸出，在激光腔內加入一段4m的摻鉺光纖(EDF)作為增益介質，摻鉺光纖的色散系數為-18ps/(nm•km)。激光腔內其他光纖為普通單模光纖(SMF)，色散值為17ps/(nm•km)。兩個偏振控制器(PC1和PC2)是為了調節光的偏振態，并與偏振相關隔離器(PD-ISO)一起構成非線性偏振旋轉結構以實現鎖模，同時偏振相關隔離器還可以用來保障光能夠在激光腔中單向運行。泵浦源為980nm的臺式半導體激光器，最大輸出功率為520mW，通過980/1550nm的波分復用器(WDM)對4m摻鉺光纖進行泵浦。輸出端口為一個80:20的光纖耦合器將20%的光信號輸出到腔外用于檢測。光譜和脈沖序列分別用光譜儀與示波器來記錄，脈沖寬度用自相關儀來測量，鎖模脈沖的射頻譜用1.8GHz的射頻譜儀探測。
3實驗結果
3.1傳統孤子鎖模
在實驗中，當泵浦源輸出功率為120mW時，激光器可以實現傳統孤子鎖模脈沖輸出，鎖模光譜如圖2(a)所示，幾組邊帶對稱分布在光譜兩側，其中心波長為1600nm，3dB帶寬為2.85nm。對應的脈沖序列由示波器測得如圖2(b)所示，脈沖序列排列整齊，強度無明顯波動，說明激光器運作在穩定鎖模狀態，相鄰脈沖之間的間隔為0.61μs，相應基頻為1.64MHz，對應激光腔長125.3m。孤子脈沖的自相關跡如圖2(c)所示，假設脈沖為雙曲正割型，則脈沖寬度為2.6ps，可以計算出時間帶寬積約為0.92，說明該脈沖帶有大量的啁啾。圖2(d)為該脈沖對應的射頻譜，脈沖的信噪比為47dB，峰值位于1.64MHz處，與激光腔的重復率1.64MHz相吻合。
3.2類噪聲方波
在孤子鎖模運作的基礎上，繼續升高泵浦功率并調節偏振控制器，當泵浦功率超過360mW時，鎖模狀態很容易從傳統鎖模切換到方波類噪聲鎖模。圖3(a)為520mW時典型的類噪聲鎖模光譜，可以看到光譜非常光滑，其中心波長仍處在1600nm的位置，3dB帶寬展寬至11.61nm，此時激光腔工作在L波段。圖3(b)中脈沖序列之間的距離為610ns，對應脈沖重復率為1.64MHz。通過內插圖中的自相關軌跡可以清楚地看到，自相關曲線包含了一個大的能量底座和一個很窄的尖峰，符合類噪聲脈沖的特點[23]。圖3(c)給出了脈沖隨泵浦功率變化的演化圖，隨著泵浦功率的增加，脈沖的寬度也逐之增大，并且在展寬的過程中脈沖保持矩形輪廓不變。脈沖寬度和輸出功率隨著泵浦功率變化的量化曲線如圖3(d)所示，當泵浦功率從380mW增大到520mW，脈沖寬度從12.71ns展寬到17.51ns，同時輸出功率由15.01mW逐漸增至20.36mW。
3.3調Q鎖模
降低泵浦功率至360mW，同時緩慢調節偏振控制器，由于偏振態的變化導致腔內增益和損耗的改變，因此腔內鎖模運作由方波類噪聲脈沖鎖模切換至穩定的QML。QML為連續波鎖模和調Q運作的居間狀態，兼具有鎖模和調Q運作的特性，典型的特征為kHz的調Q包絡疊加在MHz的鎖模脈沖序列之上。為了更好地探究類噪聲QML脈沖的特點，圖4給出了泵浦功率為360mW、300mW、240mW、180mW時調Q鎖模脈沖的演化圖，可以清楚地觀察到隨著泵浦源功率的下降，調Q包絡的重復率逐漸降低，而單個調Q包絡寬度是逐漸增大的，符合調Q脈沖的演化規律。為了清晰地觀察調Q鎖模脈沖的內部結構，我們在示波器中觀察放大的單個QML脈沖，可以看到QML脈沖由一組間隔為1.64MHz的鎖模脈沖序列組成，且單個的鎖模脈沖呈矩形輪廓。隨著泵浦功率從360mW降低到180mW，單個方波脈沖的脈寬逐漸變窄的，由24.77ns逐漸降低至12.73ns。圖5的實驗結果清晰地顯示，激光器工作在方波脈沖QML狀態，當泵浦功率逐漸降低時，QML脈沖包絡的寬度和其內部方波脈沖的寬度變化相反，QML包絡寬度隨泵功率降低而變寬，方波脈沖寬度則隨之而減小。
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如圖5(a)給出了方波QML在泵浦源功率在360mW、300mW、240mW、180mW時，對應的光譜演化圖。與圖3(a)方波類噪聲鎖模的光滑光譜不同，方波QML的光譜上出現調制，且隨著泵浦源功率的降低光譜的調制現象加深，這種現象應該是由于腔內的多模振蕩和腔內微擾造成的[24]。注意的是，在兩種運作區域，光譜的中心波長保持不變，仍位于1600nm，光譜3dB帶寬變化不明顯。圖5(b)給出了QML狀態的自相關跡，與圖3(b)中類噪聲的自相關跡很相似，一個很窄的相干峰坐落在很寬的基座之上，因此激光器此時運作狀態稱為類噪聲方波QML狀態。另外，在自相關跡的基座上可觀察到周期性的振蕩，我們推測可能是由脈沖振幅規律性波動而引起的。
為了定量研究QML類噪聲方波脈沖的特性，脈沖各參數隨泵浦功率變化關系如圖6所示。圖6(a)中可以看出調Q包絡的重復率和輸出功率隨著泵浦功率的變化呈線性變化。隨著泵浦功率的增大，包絡重復率從8.14kHz可調諧至18.18kHz，輸出功率從6.29mW逐漸增加至20.28mW。圖6(b)給出了單個調Q鎖模包絡寬度及方波脈沖寬度的變化情況，可以觀察到在泵浦功率在180mW至360mW的范圍內，包絡寬度是從12.56μs呈線性減小至7.94μs，而單個方波脈沖寬度從12.73ns增加至24.77ns，變化趨勢相反。
眾所周知，在被動鎖模光纖激光器腔中存在一個臨界脈沖能量[25]，低于臨界脈沖能量，激光器可以實現從連續波鎖模到調Q鎖模工作狀態的轉變。實驗中，通過調節泵浦功率，光纖激光器在1600nm處分別實現類噪聲方波脈沖的連續波鎖模和QML運作。當激光器工作在連續波鎖模狀態時，類噪聲鎖模脈沖序列保持整齊一致的強度，其重復率為1.64MHz，與腔的重復率相匹配。當激光器工作在調Q鎖模狀態時，對應于兩個特征重復率，一個是調Q包絡的調制頻率，與激光上能級的粒子數周期變化有關，另一個是包絡內鎖模脈沖重復率，與腔長有關。并且在兩種運作狀態下，其內部鎖模脈沖均保持為方形輪廓。方波的形成主要源于長腔引入的高非線性效應以及NPR誘導的峰值鉗制效應。過度的腔內非線性效應有利于脈沖分裂而產生更多的隨機子脈沖，這些子脈沖通過彼此相互作用組成波包，形成類噪聲脈沖。當泵浦功率增大時，脈沖進一步分裂，導致了類噪聲脈沖寬度隨著泵浦功率的增加而展寬，當大部分子脈沖具有相同的鉗制峰值功率時，類噪聲脈沖波包呈現為方形輪廓。
4結論
本文搭建了一個基于NPR結構的被動鎖模光纖激光器，在波長1600nm波段獲得常規孤子鎖模、類噪聲方波鎖模以及類噪聲方波QML三種運作模式。當泵浦功率從380mW增大到520mW，激光器工作在類噪聲鎖模區域，脈沖寬度可從12.71ns展寬到17.51ns，輸出功率從15.01mW增至20.36mW。當泵浦源功率從180mW增大到360mW，激光器工作在類噪聲方波QML區域，包絡重復率可從8.14kHz變化至18.18kHz，包絡寬度與方波脈沖寬度演化趨勢相反，包絡寬度從12.56μs減小至7.94μs，而方波脈沖寬度從12.73ns展寬至24.77ns。此外我們還研究了QML包絡的平均能量、QML類噪聲方波脈沖的平均能量以及QML類噪聲方波脈沖的峰值功率。研究結果有利于加深對類噪聲方波以及類噪聲方波QML的理解，并為設計具有不同方波脈沖性質的激光器提供參考。——論文作者：潘婕妤，耿旭，孫夢秋，汪徐德
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