飞秒锁模光纤激光器及倍频程超连续谱试验研究

赵羽西，王 骥，张文玺，陈大勇，杨瑞强，代 虎

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

0 引言

2005年，德国亨施教授与美国霍尔教授因飞秒光学频率梳技术的贡献获得了诺贝尔物理学奖。飞秒光学频率梳作为连接光学频率与微波频率的桥梁，在基础科学与工程应用上均显现出巨大价值，目前已在真空分压力测量[1]、光学频率直接测量[2-5]、高精度绝对距离测量[6-9]、精密光谱学[10-13]、时间频率标准传递[14-16]、天文光谱定标[17-18]及光钟[19-22]等领域获得了广泛应用。

光频梳是一种由频率间隔严格相等的分立频率模组成的宽谱光源，好比一把可以测量光频率的尺子，因此也被称作光学频率尺[23]。基于锁模激光器的飞秒光频梳是目前研究与应用较为广泛的方法。采用该方法，通过控制飞秒激光脉冲的载波包络相位偏移频率和重复频率，可以精准控制其时频特性，输出频谱覆盖范围超过一个倍频程的宽带光谱[24-28]。作为第一代光学频率梳，基于克尔透镜锁模的掺钛蓝宝石激光器的光频梳具有脉冲窄、光谱宽、功率高及噪声低等优点，在科学研究中被广泛应用。但是，它也存在成本高、结构复杂、维护困难、环境适应性差等缺点，不适合在工作环境恶劣的工程中应用。

近年来，随着二极管激光器（LD）的发展，LD泵浦高功率锁模激光器在光纤通讯、超精细微加工、高密度信息存储、时间分辨光谱、非线性光学、激光测距、全光网络、激光医疗等领域被广泛应用，第二代光频梳也应运而生。该激光器具有脉宽窄、重复频率高、调谐性好、抗干扰能力强、易于集成等优点[29]。目前广泛研究的锁模光纤激光器主要分为三类：主动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器和混合锁模光纤激光器。被动锁模是目前应用较为广泛且行之有效的一种方法，它利用光脉冲传输时的可饱和吸收效应实现被动锁模。腔结构和锁模机制是光纤光频梳的核心部分。典型的腔结构有“8”字腔、“9”字腔、线性腔和环形腔。可以通过半导体可饱和吸收镜（SESAM）、碳纳米管饱和吸收体机制、非线性偏振旋转机制、非线性环路放大镜机制等锁模方式产生飞秒脉冲。与主动锁模相比，被动锁模具有可以产生更短的脉冲且无需复杂有源调制器件的优势。根据增益光纤种类和波段不同，光纤光频梳主要分为掺镱光纤光频梳（中心波长为1 040 nm）、掺铒光纤光频梳（中心波长为1 056 nm）和掺铥光纤光频梳（中心波长为2 μm）。在光纤光学频率梳方面，国内外相关研究已经取得丰硕成果。2004年，美国NIST的Washburn等[28]首次报道了1.5 μm波段的掺铒光纤光频梳，其谐振腔采用全光纤“8”字形腔结构，输出脉冲序列重复频率为50 MHz。2018年，美国Coddington小组报道了一台重复频率为100 MHz，功耗仅为5 W的光纤/波导混合结构的自参考掺铒光纤光频梳[29]。国内目前开展光纤光频梳的研究单位主要有中国科学院物理研究所、清华大学、北京大学、华东师范大学、中国计量院、中国科学院国家授时中心和中国科学院西安光学精密机械研究所等。2010年，中国计量院成功研制一套重复频率为250 MHz的掺铒光纤光频梳系统，该光频梳谐振腔采用自由空间器件进行高重频锁模，实现了对1 064 nm的碘稳频Nd：YAG固体激光器的绝对光学频率测量[30-31]。清华大学的李岩课题组开展了基于SESAM和NPR混合锁模机制的掺铒光纤光频梳研制工作，利用自动光延迟线实现了1.8 MHz范围的重频调节[32-33]。华东师范大学曾和平课题组开展了基于全保偏掺铒光纤“8”字腔光纤激光器的研究，获得56.38 MHz重复频率的飞秒光纤振荡源[34]。2014年西安光学精密机械研究所采用基于SESAM锁模机制的环形腔飞秒激光器研制出重复频率为50 MHz双飞秒光纤光频梳系统[35]。

目前，可应用的全光纤光梳重复频率主要集中在100 MHz以下，更高重复频率的锁模光纤激光器往往采用自由空间器件（包括波片、偏振分束器和准直器）来实现。与含自由空间器件的激光器相比，全光纤类锁模激光器稳定性更好、结构更加紧凑。本文将介绍一种109.1 MHz重复频率的全光纤飞秒锁模激光器及其倍频程超连续谱产生方法，为高重频星载光纤光梳研制奠定基础。

1 试验装置与工作原理

采用非线性偏振旋转方式对掺铒光纤飞秒激光器进行锁模。图1中（Ⅰ）为锁模激光器结构。锁模振荡腔由974 nm泵浦激光器PUMP、掺铒增益光纤Er110-4/125、单模光纤SMF-28e、波分复用器WDM、耦合器OC、偏振相关光隔离器PI-ISO和电控偏振控制器EPC组成。974 nm泵浦光经过980 nm/1 550 nm波分复用器WDM耦合进入锁模激光器腔内，通过前向泵浦的方式激励掺铒光纤产生1 550 nm波长的脉冲光，974 nm泵浦激光器输出的最大功率为600 mW。用LIEKKI公司38 cm长的Er110-4/125掺铒光纤作为增益介质，该光纤具有增益大和正色散特性，在1 530 nm处的吸收率为110 dB/m，有利于获取高重复频率的飞秒脉冲激光。需要注意的是，掺铒光纤的长度对腔内增益有直接影响，其长度一般在30～40 cm之间，并与泵浦光强相匹配，太长或者太短的掺铒光纤均会使增益降低，甚至无法锁模。偏振相关光纤隔离器PI-ISO的作用是检偏和保证腔内激光光路的单向运行。腔内激光通过分束比为20∶80的光纤1×2耦合器向腔外输出20%的脉冲光。此外，该激光器中还预装了压电陶瓷PZT，用以对腔内光纤进行拉伸，实现后续锁模激光器重复频率的锁定。Er110-4/125增益光纤在1 550 nm处的群速度色散为12 fs2/mm。波分复用器、光隔离器、光分束器以及偏振控制器在腔内的尾纤均为SMF-28e单模光纤，在1 550 nm处的群速度色散为23 fs2/mm，总长度约为1.5 m。经过估算，腔内净色散约为29 250 fs2，因此激光器工作于孤子锁模状态。

光脉冲在光纤中传输时由于光纤双折射、自相位调制、互相位调制和色散效应的综合影响，光脉冲前后沿与脉冲尖峰位置的偏振态发生不同程度偏转[13-14]，因此在脉冲到达隔离器之前，脉冲尖峰和前后沿的偏振态存在较大差别。通过调节3路控制电压驱动EPC内部压电陶瓷挤压光纤，使脉冲尖峰的偏振态与起偏器的透振方向一致而得以无损通过，脉冲前后沿部分被削去导致脉冲宽度变窄，多次腔内循环之后脉冲宽度实现自洽而锁模。锁模激光器输出的光脉冲经光电探测器转换为电脉冲信号进入自动锁模电路，通过脉冲幅度和重复频率稳定度自动识别激光器是否进入锁模状态。

从锁模激光器出射的单个脉冲能量较低，不能满足后续产生倍频程超连续谱的峰值功率要求，因此必须对脉冲功率进行放大。为了获得全光纤放大系统、尽可能缩短光纤链路长度，须采用非线性脉冲放大技术提升脉冲峰值功率。1 550 nm种子光脉冲经过光纤隔离器后，进入单级双向泵浦非线性放大系统，如图1（Ⅱ）所示。放大器增益光纤采用LIEKKI公司的掺铒光纤Er80-8/125，该光纤在1 530 nm处的吸收率为80 dB/m，模场直径为9.5 μm，与普通单模光纤SMF-28e的模场直径相近，能够有效减小模场失配引入的能量损耗。种子光脉冲进入放大器之前先经过一段负色散的SMF-28e光纤展宽脉冲，该脉冲带有负啁啾。在该段展宽器单模光纤处增加一个光纤偏振控制器以调节放大器出射脉冲的偏振态。该负啁啾脉冲在增益光纤内被放大，脉冲峰值功率逐渐增大，非线性效应逐渐变得显著。非线性效应使脉冲顶峰位置产生线性正啁啾，与脉冲自带的负啁啾相互抵消，脉冲中间部分宽度被逐渐压缩；同时，非线性效应也使脉冲两翼产生非线性负啁啾，使两翼迅速展宽铺平，从而获得窄脉冲和较高的峰值功率。

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the test system

通过优化光纤隔离器前端SMF-28e单模光纤的长度，脉冲宽度可以被压缩至最窄。在放大器输出端直接熔接一段7 cm长的高非线性光纤HNLF，该光纤为OFS公司生产的零色散斜率高非线性光纤，非线性系数高达10.8 W-1·m-1，色散系数为-2.8 fs2/mm，模场直径4.3 μm。通过优化熔接机的主放电功率、放电时间等熔接参数，减小了高非线性光纤与单模光纤的模场失配，大幅降低了熔接点损耗，使实测的单点损耗低于1 dB。高峰值功率飞秒脉冲进入零色散斜率高非线性光纤，形成高阶光孤子。在高阶色散和非线性效应的扰动下，高阶孤子发生分裂，在负色散的低频波段产生多个低阶光孤子，并在正色散的高频波段形成非孤子辐射波。在自相位调制、交叉相位调制、四波混频、拉曼自频移等非线性效应共同作用下，激光光谱快速展宽，形成倍频程超连续谱，为后续的载波包络相位偏移频率测量奠定基础。

2 试验结果与分析

改变偏振控制器3轴的加载电压，当泵浦激光功率为420 mW时，激光器获得稳定的锁模激光输出，脉冲重复频率为109.1 MHz，平均功率为30 mW，光谱半高全宽约为20 nm，如图2（a）所示。光谱两侧有明显的Kelly边带，证明谐振腔内为孤子锁模[36]。由于腔内正负色散元件交替出现，因此脉冲宽度在腔内也呈现交替变化，当脉冲为最窄宽度时，腔内峰值功率过高引起光纤的非线性效应，在一定程度上诱发了光谱的进一步展宽。该激光器直接输出激光的脉冲带有正啁啾，经过一段负色散光纤压缩后脉冲宽度为90 fs，如图 2（b）所示。

图2 锁模激光器输出脉冲参数Fig.2 Output pulse parameters of the mode-locked laser

增益是脉冲放大器最主要的参数之一，在种子功率一定的情况下，主要受掺铒光纤长度和泵浦功率影响。通过试验测试了脉冲放大器输出功率与掺铒光纤长度的相互关系，测试结果如图3所示。

图3 掺铒光纤长度对放大器增益的影响Fig.3 Influence of erbium-doped fiber length on amplifier g ain

从图3可以看出，放大器增益随掺铒光纤长度增加先快速增大，然后逐渐变得平缓，达到峰值后，开始下降。这是因为掺铒光纤不仅能够发射1 550 nm的光，当上能级粒子数量不足时，还会对1 550 nm光产生强烈吸收。在泵浦激光强度一定的情况下，掺铒光纤过长反而使放大器增益降低。因此，放大器中Er80-8/125增益光纤长度最优为95 cm，放大器增益可达到13 dB。经光隔离器进入放大器的脉冲功率为16 mW，放大器输出脉冲平均功率为320 mW。

非线性放大器的另一个重要参数为输出脉冲的峰值功率。同等平均功率下，脉冲宽度越窄峰值功率越高。在非线性脉冲放大器中，能够影响脉冲宽度的因素主要有泵浦功率、光纤色散、光纤长度等，即放大器链路的色散量和非线性效应决定输出脉冲的宽度和峰值功率。试验采用固定放大器内部光纤链路长度，在光隔离器前增加一段普通单模光纤SMF-28e的方式，为脉冲引入一定量的负啁啾，通过优化该段单模光纤的长度使放大器输出脉冲宽度达到最窄。通过试验研究了输出脉冲宽度与单模光纤长度的关系，如图4所示。单模光纤长度为4 m时脉冲宽度最窄。此时，单脉冲能量为2.93 nJ，脉冲主峰斯特列尔比为0.7，脉冲峰值功率约为23 kW。

图4 非线性放大器输出的脉冲自相关曲线Fig.4 Pulse autocorrelation curve of the nonlinear amplifier output

若继续减小单模光纤长度，因峰值功率太高，脉冲发生孤子分裂；若继续增加单模光纤长度，脉冲底座急剧增大，峰值功率快速降低，无法有效压缩脉冲宽度。将这些脉冲导入零色散斜率高非线性光纤后产生超连续谱。高非线性光纤长度对超连续谱影响非常大，不仅影响光谱宽度和光能量的分布，而且对1 100 nm和2 200 nm光脉冲的时间走离（两个脉冲在时间上不重合的现象）影响巨大，选择7 cm长的高非线性光纤，既能够产生足够宽的倍频程超连续谱，又可使这两个波长光的时域依然重叠。更短的高非线性光纤对入射脉冲的形状和峰值功率提出了更高的要求，因此对非线性脉冲放大器输出的脉冲光进行合理压缩将不可避免。超连续谱的短波端光谱分布由YOKOGAWA 6370D光谱仪OSA测量，结果如图5所示。受光谱仪工作波数限制，未测得1 700 nm以上的长波光谱。从图中不难看出，脉冲宽度越窄，超连续谱短波下限越小，相应的超连续谱宽度越宽。

图5 用于展宽脉冲的单模光纤长度对超连续谱宽度的影响Fig.5 Influence of single-mode fiber length for broadening pulse on supercontinuum width

图6是单模光纤长度为4 m时，利用YOKOGAWA 6370D和6375两台光谱仪测量的完整超连续谱，光谱宽度覆盖了1 100～2 200 nm，满足载波包络相位偏移频率探测所需的倍频程光谱宽度要求。

图6 最优展宽SMF长度下试验获得的倍频程超连续谱Fig.6 Octave supercontinuum obtained by experiment under the optimal SMF length

考虑到倍频程光谱范围内长波倍频的需要，在扩谱过程中，将倍频程范围内长波成分的强度调节到高于倍频程范围内的短波成分。从图6可以看到，2 200 nm波长的光强度是-26 dBm，明显大于1 100 nm波长的光强度，有利于后续的倍频需要。倍频效率通常低于10%，因此低频光强应远高于高频光，这样倍频光与基频光的强度相差较小，对比度更高，信噪比也更好。

3 总结

本文介绍了一种利用电控偏振控制器EPC自动锁模的全光纤飞秒锁模激光器，脉冲宽度90 fs，重复频率109.1 MHz。经过非线性脉冲放大后，获得了平均功率320 mW、峰值功率23 kW的高功率脉冲。研究了非线性放大器输出功率对掺铒光纤长度的依赖关系，并讨论了单模光纤展宽长度对放大器输出脉宽的影响。利用零色散斜率高非线性光纤获得了波段覆盖1 100～2 200 nm的倍频程超连续谱，为后续的研究工作奠定了基础。