多模光纤作可饱和吸收体的锁模光纤激光器

洪 瑶，张 靓*，纪海莹，孙梦茹，王天枢

1 长春理工大学理学院，吉林 长春 130022；

2 长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022；

3 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022

1 引 言

近年来，掺铥锁模光纤激光器以结构紧凑、脉冲宽度窄、峰值功率高等特点引起了研究者的广泛关注，在材料加工、气体检测、生物医学、激光雷达等方面具有重要的应用前景[1-4]。利用被动锁模技术产生超短脉冲，且光开关的非线性光子饱和吸收特性决定了超短脉冲的时域和频域[5-6]。与此同时，可饱和吸收体(saturable absorption,SA)是确定锁模性能的关键器件。

在SA 中，半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)占主导地位，它可以提供SA 的各种特性[7-9]。但是，SESAM 价格昂贵，并且受频带限制。以石墨烯为代表的许多一维(1D)和二维(2D)层状材料(MoS2，WS2)已被证明可以作为可饱和吸收体[10]，但是，这些SA 的制造过程较复杂且具有较低的损伤阈值[11-13]，而基于非线性偏振旋转或非线性放大器环形镜的SA 稳定性较差，容易受到环境干扰[12-15]。因此，需要对基于新材料的全光开关进行探索和研究，以解决当前光开关的问题。近几年，基于多模光纤模式干涉的可饱和吸收体效应被提出，引起了国内外研究者的普遍关注[16-18]。2013 年，Nazemosadat 和Mafic 从理论上提出单模-多模-单模(SMF-MMF-SMF,SMS)结构在锁模光纤激光器中起SA 的作用[19]。2015 年，Fu 等人报道了基于SMS 的Q开关全光纤激光器[20]。2017 年，王兆坤等人在渐变折射率多模光纤(GIMF)上增加微米级的阶跃折射率多模光纤，消除了GIMF 长度限制，实现了锁模操作，同年该课题组使用拉伸的GIMF 获得稳定的锁模输出脉冲[21]。2018 年，Wang 等人报告了基于SMS 的孤子脉冲光纤激光器，该结构在GIMF 中引入了内部微腔，并将其用作非线性光学开关[22]。2019 年，张宏伟等人通过将GIMF 缠绕在偏振控制器(PC)的拨片上来改善SMS 的锁模特性，获得了传统孤子脉冲[23]。与其他类型的SA 相比，SMS 具有结构简单、稳定性好、损伤阈值高的优点。这些优点使激光器能够获得更高的脉冲能量和峰值功率。然而，在实践中难以实现基于SMS的GIMF 长度的精确控制，例如在微腔中进行微米级操作以及对GIMF 进行拉伸操作[18]。因此研究基于PC的SMS-SA 具有重要意义。

本文提出了一种基于多模光纤作可饱和吸收体的2 μm 锁模光纤激光器。将SMS 作为可饱和吸收体缠绕至PC 上，通过旋转PC 角度实现锁模操作。在263 mW 泵浦功率下实现了稳定的锁模脉冲输出，其重复频率为24.83 MHz，脉冲间隔40.12 ns，信噪比为50.8 dB，中心波长1881.7 nm。通过调节PC 和泵浦功率，可以将传统孤子脉冲转换至孤子分子脉冲。当泵浦功率为410 mW 时，实现孤子分子锁模脉冲输出，其重复频率为25 MHz，脉冲间隔40.3 ns，信噪比54.4 dB，中心波长1887.60 nm。实验表明，这种可饱和吸收体结构简单，且能够解决精确控制GIMF 长度的难题，为2 μm 锁模脉冲的产生提出了一种有效的手段。

2 理论推导

被用作可饱和吸收体的SMS 结构如图1 所示，其中GIMF(GI 50/125 μm，YOFC)的长度为L。多模干涉效应(MMI)是指激光由单模光纤耦合至多模光纤时，会在多模光纤中产生模式干涉叠加的现象。这些叠加的模式具有共同的周期性变化，在某些特定位置会同相位叠加，这种现象被称为自成像效应。在具有高峰值功率的非线性状态下，自相位调制(self-phase modulation，SPM)和交叉相位调制(cross-phase modulation，XPM)会影响每种模式的传播常数，从而改变GIMF 中光的拍频长度，导致SMF 与GIMF 之间的耦合效率发生改变[24]。因此，随着输入光功率的增加，从GIMF 到SMF 的相对传输功率发生改变。Mafic[19]指出，如果将GIMF 的长度精确选择为拍频长度Lπ，则在线性情况下，相对传输功率最小。此外，随着输入功率的增加，相对传输功率也会增加，直至达到最大值。因此，低功率信号会减弱，高功率信号会通过，这表明基于PC 的SMS 结构具有SA 的潜力[24-25]。

图1 SMS 饱和吸收器原理图Fig.1 The schematic of SMS saturable absorber

为了进一步描述与PC 缠绕在一起的SMS 结构的非线性吸收机理，从理论上分析了GIMF 中MMI 的Kerr 效应[26-27]。假设SMF1、GIMF 和SMF2 的纤芯中心对齐，可以忽略模式转换。激光通过GIMF 的光场表达式为[28-29]

其中：Cn为模式扩展系数，β1和 βn分别为基本模式和第n 个激励模式的传播常数。所有模式均满足以下条件：

其中：λ0是中心波长。式(3)表明，SMS-SA 的可饱和吸收取决于有效折射率系数、中心波长和GIMF 的长度。为了克服SMS-SA 结构对GIMF 长度精确控制的限制，将SMS 缠绕到PC 上。PC 上的光纤因应力弯曲而产生双折射，经过双折射光纤的激光将产生非线性相移。相移的大小与双折射的程度有关，并且通过调节PC 叶片的角度来改变双折射的程度。非线性相移和双折射的关系表达式为[11]

其中：γ 是非线性系数，B是双折射度，Px和 Py是两个偏振分量的幂。因此，所有模式均满足以下条件：

由式(4)∼式(6)可得，双折射引起的非线性相移会改变所有模式之间的相位差。因此，该结构放宽了对用于模式锁定的SMS-SA 结构的精确长度要求。

3 结果与讨论

2 μm 被动锁模掺铥光纤激光器的结构如图2 所示，该激光器为全光纤环形腔结构。增益介质选取一段长度为2 m 的掺铥光纤(SCF-TM-9/125，Coractive)，其数值孔径为0.15。两个SMS 结构中GIMF 的长度均为0.3 m，总腔长为8.1 m。泵浦源由一个波长1.5 μm的分布式反馈激光器(DFB)和一个铒镱共掺光纤放大器(Erbium-ytterbium-doped fiber amplifier，EYDFA)组成，谐振腔内有两个PC 和一个偏振无关的隔离器(isolator，ISO)，其中ISO 用来保证环形腔内激光单向运转。1×2 光耦合器(optical coupler，OC)的90%输出端口用以提供腔内反馈，10%端口作为测试端。输出脉冲由带宽为10 GHz 的2 μm 波段光电探测器探测，其脉冲信号的波形由带宽为32 GHz 的高速示波器(Agilent，DSO-X 93204A)观测，光谱由光谱分析仪(YOKOGAWA，AQ6375)记录，最小分辨率为0.05 nm。频谱分析仪(Agilent，N9030A)用来测试输出脉冲的射频频谱，频谱分析仪的频率范围为3 GHz。此外，2 μm被动锁模掺铥光纤激光器输出脉冲的自相关迹由自相关仪(FR-103XL)测量。

图2 由SMF-GIMF-SMF 结构锁模的Tm光纤激光器的示意图Fig.2 The schematic of the Tm fiber laser mode-locked by a SMF-GIMF-SMF structure

实验中，增加泵浦源的泵浦功率，当泵浦功率为68 mW 时，该激光器工作在连续光区域。继续增加泵浦功率，通过调节谐振腔内的PC 来改变偏振状态实现锁模操作，当泵浦功率增加至263 mW 时，激光器可以产生传统孤子脉冲。进一步将泵浦功率增加至360 mW 时，该激光器仍能保持稳定的单脉冲运行，其输出特性如图3 所示。图3(a)为传统孤子脉冲的输出光谱，对称分布的Kelly 边带是传统孤子锁模的典型特征。光谱的中心波长和3 dB 带宽分别为1887.60 nm 和3.83 nm。图3(b)为传统孤子的脉冲序列，脉冲间隔为40.12 ns，恰好对应于光脉冲在谐振腔内传输一周所用的时间。传统孤子的自相关如图3(c)所示，采用双曲正割型脉冲函数拟合后，测得孤子脉冲宽度为4.89 ps。对应的时间带宽积为1.573，明显大于变换极限0.315，表明脉冲是啁啾的。为了进一步证明锁模光纤激光器处于高稳定状态，我们测量了该脉冲的射频频谱，基频脉冲信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)为50.8 dB，如图3(d)所示。实验结果表明，该2 μm被动锁模掺铥光纤激光器处于稳定锁模状态。

图3 传统孤子实验结果。(a) 脉冲光谱；(b) 脉冲序列；(c) 光学自相关迹线；(d) 24.83 MHz 基频的RF 频谱Fig.3 Experimental results of traditional soliton.(a) Laser spectrum;(b) Pulse sequence;(c) Single pulse;(d) RF spectrum at the fundamental frequency of 24.83 MHz

通过调节PC 和泵浦功率可以实现传统孤子与孤子分子的转换。将泵浦功率增加至410 mW，获得的孤子分子输出特性如图4 所示。图4(a)为孤子分子的输出光谱，中心波长为1888.12 nm。光谱的中心正好是两个干涉条纹的中心，表明两个束缚孤子之间的相位差为π。此外，光谱的两个最低阶边带之间的干涉条纹数N=6，对应的调制周期为2.72 nm。孤子分子的脉冲序列如图4(b)所示，脉冲间隔为40.3 ns。图4(c)为孤子分子脉冲的自相关轨迹，脉冲间隔为4.35 ps，与调制周期相对应。此外，自相关迹中三个峰的光强比接近1：2：1，并且脉冲宽度相同，表明具有固定间距的两个束缚孤子具有相同的脉冲宽度和幅度。图4(d)为孤子分子的射频频谱，信噪比为54.4 dB，说明该锁模光纤激光器处于高稳定锁模运转。为了确定锁模操作是否是受SMS-SA 结构的饱和吸收效应影响，我们将SMS-SA 结构从谐振腔中移除，此时未观察到锁模状态。

图4 孤子分子实验结果。(a) 脉冲光谱；(b) 脉冲序列；(c) 光学自相关迹线；(d) 25 MHz 基本频率的RF 频谱Fig.4 Experimental results of soliton pairs.(a) Laser spectrum;(b) Pulse sequence;(c) Optical autocorrelation trace;(d) RF spectrum at the fundamental frequency of 25 MHz

在基于多模干涉效应的2 μm 锁模光纤激光器中，通过增加泵浦功率和改变谐振腔的偏振状态，可以实现不同工作模式的转化。该激光器的工作模式以及相应的输出功率和泵浦功率之间的关系如图5 所示，平均输出功率与泵浦功率呈线性增加。当泵浦功率高于263 mW 时，通过调节PC，可以观察到传统孤子产生。泵浦功率增加至380 mW，轻微调节PC，可以实现稳定的孤子分子脉冲输出，其最大输出功率为3.62 mW。为了证明SMS-SA 的可饱和吸收作用，通过改变SMS-SA 中GIMF 的长度来观测激光器的锁模情况。当结构中其中一段GIMF 的长度分别为0.5 m、0.7 m和0.9 m 时，激光器均可以实现稳定的锁模操作，表明可以通过将SMS 缠绕到挤压式PC 中来降低GIMF作为SA 的长度精确控制要求。最后，在410 mW 的泵浦功率下，通过测量输出脉冲的光谱来评估光纤激光器的稳定性。在10 h 内，每隔一小时记录一次输出光谱，其结果如图6(a)所示。孤子分子的光谱几乎保持不变，表明该激光器具有良好的稳定性。图6(b)为信噪比随时间变化的曲线，长时间内信噪比的波动小于1 dB，较小的波动说明该光纤激光器性能稳定。

图5 光纤激光器的输出功率与泵浦功率的关系Fig.5 The output power of the fiber laser versus pump power

图6 10 h 内的长期稳定性测试结果。(a) 光谱；(b) 信噪比Fig.6 Long term stability test results over 10 hours period.(a) Spectrum;(b) Signal to noise ratio

4 结 论

本文报道了一种基于SMS-SA 结构锁模的光纤激光器，通过将SMS-SA 缠绕在PC 中实现了孤子脉冲与孤子分子的锁模操作。当激光器处于锁模状态时，通过旋转PC 可以有效的放宽对GIMF 长度的严格限制。此种结构的可饱和吸收体易操作且成本较低。除此之外通过调节泵浦功率和腔内的偏振控制器，可以实现孤子分子和传统孤子脉冲的转换，其中，传统孤子脉冲的中心波长为1887.6 nm，脉冲宽度为4.89 ps；孤子分子的中心波长为1888.12 nm，脉冲宽度为4.35 ps。这种简单的SMS-SA 结构为全光纤锁模超快激光器提供了新的思路。