高信噪比多波长2μm主动锁模光纤激光器

赵 铭，王天枢

（1.厦门大学 嘉庚学院 信息科学与技术学院，福建 漳州 363105；2.长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022）

引言

多波长激光由于其具有输出信道数量高的特性，在光纤传感、光学仪器、微波光子学、光信号处理等领域有着很大的应用潜力，尤其在激光通信波分复用系统（WDM）中应用更为广泛。主动锁模光纤激光在产生高重频窄脉宽锁模脉冲的同时可实现多波长输出，此外，锁模光纤激光与其他光纤器件兼容性好，是激光通信理想的载波光源。目前，有关多波长锁模光纤激光器的报道均集中在1.55 μm 波段[1-4]。然而，2μm 波段处于人眼安全波段并且具有较高的大气透过率，在激光雷达和空间激光通信方面有着潜在的应用价值[5-8]。激光在大气中传输时，气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起能量衰减，根据米氏散射条件，散射光强度与波长的平方成反比。相比于1.55 μm 常规激光通信波段，2μm 波段在空间激光通信中有着更高的应用价值[9-10]。为了提高2μm 波段空间激光通信的带宽，研究多波长2μm 光纤激光器具有重要意义。

主动锁模光纤激光器可以产生高重频、窄脉宽的锁模脉冲序列，被广泛用于激光通信和高精度探测等方面[11-12]。通常在腔内引入周期性的强度或相位的改变，使调制频率为谐振腔基频的整数倍，从而产生锁模脉冲。在高阶谐波锁模工作状态下，腔内存在多组超模，这些模式都满足谐振腔锁模条件，他们同时振荡且互相竞争导致了脉冲强度起伏[1-2]。同时，环境噪声如温度、振动导致的腔长及腔内偏振态的改变影响了锁模脉冲的时间稳定性，当高重频锁模脉冲用于高速数据传输载波时，环境噪声与超模噪声共同作用会导致误码率增加[3]。通过在腔内添加Lyot 滤波器和偏振相关隔离器（PD-ISO），可以在实现多波长输出的同时有效抑制两种噪声带来的扰动，提高锁模脉冲的信噪比。近年来，有关提高高重频锁模脉冲稳定性的报道大多集中在1.55 μm 及1 μm 波段[4,13]，2016年，Zhou 等人[14]报道了一种产生矢量锁模脉冲的掺铒主动锁模光纤激光器，重频12.06 MHz，脉宽2 ns。同年，Kuznetsov 等人[13]研究了掺镱主被动混合锁模光纤激光器，重频395 kHz，脉宽50 ps。关于2μm主动锁模脉冲的研究多为单波长输出，Qin 等人[10]提出了一种重频1 GHz～6 GHz可调的线性腔掺铥主动锁模光纤激光器，中心波长为1 959 nm，脉宽60 ps。Wang 等人[15]在掺铥色散管理腔内利用NPR 被动锁模实现了重频可达14.5 GHz的高阶谐波锁模脉冲输出，然而频谱信噪比仅为19 dB，难以应用于激光通信系统。Zeng 等人[16]通过缩短腔长的方法将2μm 孤子锁模脉冲的重频提高至1.25 GHz，同时脉冲宽度可达609 fs，频谱信噪比高于75 dB。显然，孤子锁模脉冲的3 dB 带宽限制了激光通信的频带利用率，针对空间激光通信系统的高信噪比，多波长2μm 锁模光源的相关研究还需完善。

本文提出了一种提高主动锁模光纤激光器稳定性的方法，输出的2μm 锁模脉冲重频可达2.448 GHz，通过在谐振腔内加入Lyot 滤波器将锁模脉冲的基频频谱信噪比提高到68.3 dB。产生的锁模脉冲经过数字信号调制后可测得调制眼图，对比腔内添加偏振无关隔离器（PI-ISO）和PDISO的调制眼图光信噪比，发现PD-ISO 对环境噪声有着抑制作用。此外，利用Lyot 滤波效应可输出2、3、4、5个波长信道的锁模脉冲。

1 实验装置组成与原理

高信噪比掺铥主动锁模光纤激光器实验结构如图1所示。

图1 高信噪比掺铥主动锁模光纤激光器结构图Fig.1 Structure of high SNR thulium-doped actively modelocked fiber laser

泵浦源是一个中心波长为1 565 nm的激光二极管（laser diode，LD）和一个最高输出功率1W的掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA），通过一个1 550/1950 nm的波分复用器（wavelength division multiplexer，WDM）将泵浦光耦合到谐振腔中，增益介质为一段长度为2 m的掺铥光纤（TDF，Nufern SM-TDF-9/125），Lyot 滤波器由一个偏振控制器（polarization controller，PC1）和一段2 m 长的保偏光纤（polarization maintaining fiber，PMF）组成。腔内添加偏振相关隔离器（polarization dependent isolator，PD-ISO）可以在确保光单向传输的同时抑制腔内偏振态改变，调制器为商用的2μm 马赫-曾德尔强度调制器（IXblue MX2000-LN-10），带宽10 GHz，PC2用来调节进入调制器的激光偏振态。微波信号源（Hittite HMC-T2220）的工作频率范围为10 MHz～20 GHz，输出功率范围为1 nW～1 W。1×2 光耦合器（optical coupler，OC）将10%的能量输出到腔外再次经过一个马赫-曾德尔调制器调制，其余90%的能量提供腔反馈。任意波形发生器（Keysight M8195A，AWG）经过与微波信号源时钟同步后可以产生速率与锁模脉冲频率相同的数字信号，产生的伪随机码经过放大后加载到腔外的调制器上，经过调制的脉冲信号眼图可由宽带光示波器（Agilent 86100C）获得。输出的锁模脉冲光谱由光谱分析仪（YOKOGAWA，YQ6375）观测，时域波形图及频谱信号经过带宽为12 GHz的2μm 光电探测器后，分别由带宽2.5 GHz的示波器（Agilent，DSO 9254A）和带宽为3 GHz的频谱仪（Agilent，N1996A）观测获得。

2 实验结果与分析

主动锁模可以通过将驱动信号调制频率设置为谐振腔基频的整数倍，同时调谐腔内激光偏振态来实现。实验中谐振腔总长度为13.25 m，对应的基频为15.3 MHz。起初，将泵浦功率设置为700 mW，MZM1 射频驱动信号的频率设置为15.3 MHz，调制信号电压设置为2 V。偏置电压设置为其中Vπ是调制器的半波电压，调谐腔内PC可获得稳定基频模式下的锁模脉冲，如图2所示。

图2 基频下的单波长锁模脉冲特性Fig.2 Characteristic of single-wavelength mode-locked pulse at fundamental frequency

图2（a）为掺铥主动锁模脉冲光谱，中心波长为1 932.9 nm，边摸抑制比大于45.2 dB，3 dB 带宽为0.08 nm。受到Lyot 滤波器双折射效应的影响，锁模脉冲的光谱被周期调制，在光谱上可以观察到明显的边带。PD-ISO 产生的线偏振光经过保偏光纤时会产生一对正交的偏振分量，2个分量经过快慢轴传输后会产生一定的相位延迟，从而在PC2处形成一个与波长相关的强度调制周期。调制周期可以通过来表示，其中λ为激光的中心波长，L为保偏光纤的长度，Δn是保偏光纤2个正交轴的折射率差。因此，Lyot 滤波器也可看作是一个波长、滤波深度和调制周期可调谐的梳状滤波器。实验中，保偏光纤的长度为2 m，Δn被标定为3.57×10−4[17]，根据测得的中心波长可以计算出调制周期为5.23 nm，这与图2（a）光谱图的实验结果相符。图2（b）为基频下的锁模脉冲序列，脉冲间隔为65.3 ns，脉冲宽度为4.28 ns，脉冲平均功率为24 mW，可以看出脉冲峰-峰值抖动较小。图2（c）反映了对应的频谱图，频谱扫描范围为25 MHz，分辨率为1 kHz，频谱信噪比（SNR）为68.3 dB。为了衡量系统的稳定性，实验测量了120 min系统的SNR，如图2（d）所示。基频锁模脉冲的频谱信噪比最高为68.48 dB，最低为67.42 dB，结合频谱上无其他超模噪声分量，可以表明腔内噪声被有效抑制，并且锁模脉冲工作在一个稳定的状态。

为了提高泵浦功率，调节腔内2个偏振控制器的状态，改变Lyot的滤波深度和腔内的损耗，同时调节调制器的偏置电压来控制腔内锁模脉冲的能量，通过这3个步骤可以输出多波长锁模脉冲，如图3所示。当泵浦功率增加到800 mW时，可以获得2个波长信道的锁模脉冲光谱，边摸抑制比都高于45 dB，如图3（a）所示。随着泵浦功率增加到850 mW，900 mW和1 W，改变腔内偏振态和调制器偏压可以获得3，4，5个波长信道的锁模脉冲光谱，如图3（b）～3（d）所示。其中，边摸抑制比高于20 dB时被认为是有效波长信道，输出的锁模脉冲平均功率分别为25.2 mW，26.8 mW 和28.9 mW。

图3 2μm 多波长主动锁模光谱Fig.3 Spectra of 2μm multi-wavelength mode-locking

m阶谐波锁模脉冲的重频可表示为其中c为真空中光速，n为传输介质折射率，L为谐振腔长度。当驱动信号频率为谐振腔基频的整数倍时，增加泵浦功率可获得高阶谐波锁模脉冲。增加驱动信号的调制频率至260.1 MHz，获得了17阶谐波锁模脉冲，如图4（a）所示。脉冲间隔为3.85 ns，脉冲宽度为760 ps，对应的频谱如图4（d）所示，频域扫描范围为350 MHz，分辨率为5 kHz，频谱信噪比为61.6 dB，表明锁模脉冲稳定运行。继续增加驱动信号至673.2 MHz 和2.448 GHz，可获得44阶和160阶谐波锁模脉冲，如图4（b）和4（c）所示。锁模脉冲间隔分别下降到148.5 ps 和40.8 ps，对应的频谱如图4（e）和4（f）所示。频域扫描范围分别为1 GHz 和3.5 GHz，分辨率为10 kHz，获得的频谱信噪比分别为58.7 dB 和54.3 dB。随着锁模脉冲重复频率的增加，腔内的超模噪声影响了脉冲的稳定性，导致脉冲峰-峰值抖动增加，信噪比降低。

图4 不同重频下的锁模脉冲序列与对应的频谱Fig.4 Mode-locked pulse sequence and corresponding frequency spectrum at different repetition rates

实验获得2μm 多波长锁模脉冲具有较高的稳定性，可作为高速激光通信载波源。然而，随着输出波长信道数的增加，谐振腔内模式竞争更激烈，对系统的稳定性要求更高，此时系统易受环境噪声的影响累积相位噪声，从而导致失锁。为了衡量锁模光源的时间稳定性，将射频驱动信号的一部分作为任意波形发生器的时钟参考信号，使用任意波形发生器产生速率为2.448 Gb/s的数字信号，驱动腔外的MZM2 对输出的锁模脉冲调制加载数字信号。MZM2的偏置电压同样固定在数字信号的电压设置为2 V，测得的锁模脉冲调整眼图如图5所示。优化前调制眼图如图5（a）所示，可以看出眼图的光信噪比为8.06 dB，随着时间的推移眼宽增加，占空比下降，表明信号具有一定的强度噪声与相位噪声。将腔内PI-ISO 替换为PDISO，经过PD-ISO的线偏振光直接由偏振相关的MZM 调制，产生的锁模脉冲光信噪比更高，相位噪声更低，获得的调制眼图如图5（b）所示。光信噪比增加为16.73 dB，眼高增加表明系统噪声容限增加，接收灵敏度增加。

图5 锁模脉冲优化前后调制眼图对比Fig.5 Comparison of modulated eye diagrams before and after mode-locked pulse optimization

3 结论

报道了一种多波长高稳定性的2μm主动锁模光纤激光器，通过在腔内加入Lyot 滤波器使得基频锁模状态下频谱信噪比可达68.48 dB，表明腔内超模噪声被有效抑制。实验获得了最高5个波长信道的锁模脉冲输出，锁模脉冲重频最高可达2.448 GHz，经过时钟同步后加载速率为2.448 Gb/s的数字信号获得了调制眼图。通过在腔内添加PD-ISO 提高MZM 对腔内激光的调制深度，脉冲光信噪比提高了8.67 dB，同时锁模脉冲相位噪声减小，系统的噪声容限明显增加。