不同色散区Mamyshev激光器的设计

唐城田 龚睿 马泽航 魏淮

（北京交通大学光波技术研究所全光网络与现代通信网教育部重点实验室 北京市 100044）

1 引言

在掺镱光纤激光器中，通过脉冲的整形机制可以产生高能超短脉冲[1]。Mamyshev 激光器[3]的出现，使得光纤激光器的性能可以与固态激光器相媲美。通过使用不同的稀土掺杂的增益介质，这种方法为在其他光谱区域研究具有类似性能的光纤光源提供了思路。近几年来人们对1.5μm 波段的Mamyshev 激光器进行了大量研究，但关于不同色散区Mamyshev激光器的差异至今还没有人研究过，本文通过分析对比不同色散区Mamyshev激光器的差异，发现了导致这些差异的原因。

2 光脉冲在光纤中演化的理论模型

求解非线性薛定谔方程方程可以得到光脉冲在光纤中的演化过程[5]，方程如下：

3 1.0μm波段激光器的输出特性

1.0μm 波段激光系统的原理图如图1所示。激光器由两个Mamemshev 再生器组成，掺镱光纤(YDF)(nLight Yb12004/125)长度为0.3m。耦合器的耦合比均为2：8(输出：输入)。每级滤波器对应的中心波长分别为1035 和1045nm，滤波器带宽为6nm。每级再生器之间的SMF 长度均为0.5m，激光器工作在全正常色散状态，腔长为1.6m，重复频率为129MHz。

图1：1.0μm 波段双波长激光系统示意图

稳定状态下的腔内脉冲演化过程如图2(a)所示，滤波后的脉冲频谱如图2(b)所示，1035nm 处脉冲峰值功率为1.38kW,1045nm 处脉冲峰值功率为1.12kW。

图2

4 1.5μm波段激光器的输出特性

1.5μm 波段激光器系统的原理图与1.0μm 波段激光器腔体类似，其增益光纤为掺铒光纤(EDF)(CorActive EDF‐L1500)，长度为4m。每级滤波器对应的中心波长分别为1530 和1540nm，滤波器带宽均为6nm。SMF‐28 长度均为0.6m，腔长为9.2m，重复频率约为22.4MHz。

稳定状态下腔内脉冲演化过程如图3(a)所示，滤波后的脉冲频谱如图3(b)所示，1530nm 处脉冲峰值功率为0.15kW,1540nm 处脉冲峰值功率为0.35kW。

图3

谐振腔中的掺铒光纤是正色散值，SMF 为负色散值，其对系统色散补偿起着一定作用，对系统的功率提升和系统稳定有诸多影响，因此我们仿真模拟了在不同SMF 长度下1.5μm 波段系统的光谱图，如图4所示。

如图4所示，一定长度的SMF 可以让激光器达到稳定状态，随着SMF 长度的增加，腔内色散补偿的能力将增强，导致腔中脉冲的功率增加，进而导致频谱范围向两侧扩展。

图4：不同长度的SMF 频谱图

5 两种不同波段激光器特性的对比

5.1 1.0μm与1.5μm激光器系统频谱特性的区别

由于两个波段增益光纤和单模光纤色散值差别较大，所以频谱会有一定的差别。其中1μm 波段激光器工作在全正色散状态下，而1.5μm 激光器系统的SMF 为反常色散。图5 为不同波段激光器频谱图。

图5：1.0μm 和1.5μm 激光器系统频谱图

从图5 中可以看出1.0 μm 波段频谱比较平坦，而1.5 μm 波段频谱波动较大。对于1.0 μm 波段激光器来说只要参数选取合理，滤波器位于相对平坦的位置即可，而对于1.5μm 激光器系统来说其频谱波动较大，需要避开频谱的不平坦区域。

5.2 1.5μm激光器系统采用色散补偿光纤

本小节研究采用保偏色散补偿光纤(PMDCF)的1.5μm 激光器系统的输出特性，用以研究能否改善系统光谱。原理图与1.0μm 波段激光器腔体类似，EDF 长度为4m。每级滤波器对应的中心波长分别为1530 和1540nm，滤波器的带宽均为6nm。PMDCF 长度均为0.5m，腔长为9m，重复频率约为23 MHz。系统工作在全正色散状态下，PMDCF 色散量要比1.0μm 激光器系统的SMF 高一个数量级。

如图6所示，腔内无源光纤从SMF 替换为PMDCF 后光谱的平坦度有所改善，并且发现随着PMDCF 长度的增加光谱平坦度也有所改善。

图6：不同长度的DCF 频谱图

6 结论

本文分析对比了1μm 波段和1.5μm 波段Mamyshev 激光器的差异，得到了设计不同色散区Mamyshev激光器的指导性规律。PMDCF 作为1.5μm 波段激光器腔内无源光纤时有助于改善系统光谱的平坦度，所以在选择光纤作为1.5μm 激光器系统中的无源光纤时应考虑到系统光谱特性，较平坦的光谱在滤波器选取时更容易处于稳定状态。