光纤激光器中矩形类噪声多脉冲的行为研究

李凯芯, 汪徐德, 陆梦想, 耿 旭

(淮北师范大学物理与电子信息学院,235000,安徽省淮北市)

0 引 言

被动锁模光纤激光器由于具有结构紧凑、稳定性高、成本小、易产生超短脉冲等优势,在光通信、军事、医疗、精密加工等领域有着潜在的应用前景[1-3]. 到目前为止,人们利用各种锁模方式在光纤激光器中实现锁模脉冲输出,比如利用非线性偏振旋转技术、“8”字腔、真实可饱和吸收体、Mamyshev再生器、多模光纤混合结构等等. 借助这些锁模技术,各种不同类型的锁模脉冲已被报道,比如孤子脉冲、耗散孤子、耗散孤子共振、自相似脉冲、类噪声脉冲等[4-6],因此,被动锁模光纤激光器为研究各种锁模脉冲的演化特性提供一个理想的平台.

一般来说,在被动锁模光纤激光器中产生的脉冲具有高斯或双曲正割形状,但在特定的腔参数条件下,也会产生纳秒尺度的矩形脉冲. 相对于传统的孤子脉冲来说,矩形脉冲可以随着泵浦功率的升高而增加其脉冲宽度,同时保持其振幅不变. 因此矩形脉冲可以避免脉冲分裂并有效地提高脉冲能量. 目前,在光纤激光器中形成矩形脉冲的主要机理有两种:一种是耗散孤子共振,其形成的矩形脉冲是一个单脉冲,脉冲内部没有精细结构,脉冲具有高度相干性;另一种是利用激光腔的峰值功率钳制效应获得方脉冲,典型的有矩形类噪声脉冲,其脉冲行为与耗散孤子共振脉冲具有相似性,不同之处在于,矩形类噪声脉冲是一种部分相干的特殊脉冲,本质上由大量随机变化的小脉冲组成的混沌波包,缺乏时间相干性. 由于类噪声脉冲易于产生,具有大的脉冲能量,宽而平滑的光谱,低相干性等特点,已经广泛应用于超连续谱产生、材料微加工和低相干光谱测量等领域[7,8]. 到目前为止,人们已在掺铒、掺镱和掺铥光纤激光器中获得了矩形类噪声脉冲,并对其脉冲动力学行为进行了实验研究,比如矩形类噪声脉冲与孤子分子共存、矩形类噪声脉冲与耗散孤子共振共存、矩形类噪声脉冲双波长可切换操作以及调Q锁模矩形类噪声脉冲等[9,10]. 此外,多项研究表明,在具有高非线性的谐振腔中,与耗散孤子共振具有无限增大脉冲宽度不同,矩形类噪声脉冲通过调节偏振控制器或增加泵浦功率,脉冲会发生分裂,形成多个脉冲,并演化出谐波锁模操作. 虽然已有关于矩形类噪声脉冲的相关报道,但目前对非线性光纤环形镜(NOLM)锁模光纤激光器产生的类噪声脉冲特性还没有深入的研究. 考虑到矩形类噪声脉冲潜在的应用前景以及其丰富的动力学特性,有必要对类噪声多脉冲演化行为进行进一步研究,这既有助于加深类噪声机制原理的理解,也促进其在超快激光器领域的发展和应用.

本文利用NOLM作为可饱和吸收体搭建了“8”字形谐振腔激光器. 实验中,通过调节腔内参数可以获得脉冲宽度从1.25 ns到4.35 ns可调,单脉冲能量可达7.72 nJ的矩形类噪声脉冲. 此外,随着腔内非线性的积累,矩形类噪声脉冲分裂为脉冲间距不等、脉冲间距相等的矩形类噪声脉冲簇以及各阶谐波类噪声多脉冲. 实验结果有助于进一步理解矩形类噪声脉冲的本质特性.

1 实验装置

实验中所用的光纤激光器装置如图1所示,由左右两环构成,呈“8”字形腔结构. 在整个激光谐振腔中,一个最大输出功率为515 mW的980 nm半导体激光器作为泵浦源,通过波分复用器(WDM)对2.8 m长掺铒光纤(EDF)进行泵浦. 一个偏振无关隔离器(PI-ISO)确保激光在左侧环内单向传输. 一个30/70的光纤耦合器(OC2)用于连接左右两环,从而形成“8”字形腔结构. 右环是由30/70的光纤耦合器构成的NOLM,由于耦合器分光比的不同,NOLM内两路强度不同的光相向传输,在环内往返一周后获得的非线性相移不同,从而形成强度相关的透射特性,以实现锁模. 环内加入80 m单模光纤(SMF)用来增加腔长并提高腔内非线性,使其有利于矩形类噪声的产生. 两个偏振控制器(PC1和PC2)用来调节腔内激光偏振态的状态,一个10/90的耦合器(OC1)作为输出端口,将10%的激光能量输出腔外用于各种仪器的探测. 实验所用掺铒光纤的尺寸为6/125 μm,数值孔径(NA)为0.23,其在1 550 nm处群速度色散为-18.5 ps/(nm·km),在980 nm处泵浦吸收系数为3.86 dB/m. 单模光纤的尺寸为9/125 μm,在1 550 nm处衰减系数和群速度色散分别为0.19 dB/km和17 ps/(nm·km). 整个谐振腔长度为93.8 m,谐振腔总的净腔色散约为-1.907 ps2,表明整个谐振腔工作在反常色散区域.

图1 基于非线性光纤环形镜锁模光纤激光器实验装置图

实验中,输出脉冲的光谱特性使用光谱分析仪(Anritsu,MS9740A)进行测量,时域脉冲序列使用带宽4 GHz,采样率20 GSa/s的高速数字示波器(KEYSIGHT,MSOS404A)进行观测,脉冲宽度使用自相关仪(Femtochrome,FR-103XL)来探测. 同时,使用光功率计(Joinwit,JW3209)测量输出脉冲的平均功率.

2 实验结果与分析

2.1 典型类噪声锁模

实验中,NOLM发挥类可饱和吸收效应[11],通过调节偏振控制器PC1与PC2的角度,升高泵浦功率到119.5 mW,被动锁模激光器可以获得稳定的类噪声锁模,如下页图2所示. 图2(a)为典型类噪声脉冲的光谱,光谱宽且光滑,无明显凯利边带,其中心波长为1 563.1 nm,光谱3 dB带宽为10 nm. 图2(b)为锁模脉冲序列,相邻脉冲间距为460 ns. 图2(c)为扫描带宽2 MHz、分辨率1 kHz时的射频谱图,最大强度信号与2.19 MHz频率对应,与总腔长93.8 m对应的时间周期相一致,说明激光器处于基频锁模状态. 射频谱中46 dB的信噪比,表明激光器工作在稳定状态. 图 2(c)插图为2 GHz范围的射频谱,可以看到射频谱在大范围内表现为周期调制,约为1 GHz调制周期,这与1 ns的矩形脉冲宽度成反比. 为了验证该锁模脉冲为类噪声脉冲,图 2(d)给出了对应的自相关迹,可以看到一个狭窄的尖峰坐落于宽的能量基座上,尖峰的宽度为0.643 ps,与典型类噪声脉冲特点相符.

(a)光谱;(b)时域脉冲序列及单个矩形脉冲;(c) 射频谱,插图是扫描范围为2 GHz的射频谱;(d)自相关曲线

由于传统的光谱仪测出的是时间平均光谱,其掩盖了类噪声脉冲的实际光谱信息,可通过采用色散傅里叶变换技术获得类噪声脉冲的实时光谱演化特性[12],如图3所示,可以看出类噪声脉冲光谱表现出混沌的演化过程,具有低相干性,也进一步验证了光纤激光器处于类噪声锁模状态.

图3 矩形类噪声脉冲的光谱演化

当类噪声单脉冲形成后,保持偏振控制器PC1与PC2不变,逐渐增加泵浦功率,类噪声脉冲的能量会逐渐增加并且脉冲包络不产生分裂. 表现为输出的矩形脉冲脉宽会随着泵浦的增强而展宽,但是脉冲振幅基本保持不变,脉冲光谱和脉冲宽度的演化如图4(a)所示. 随着泵浦功率的升高,光谱3 dB带宽有轻微变化,从10.5 nm到11 nm. 值得注意的是,泵浦功率变化过程中,光谱中心波长始终处于1 566.9 nm不变. 图4(b)表示脉冲宽度随着泵浦功率的演化关系,随着泵浦功率逐渐升高,矩形脉冲脉宽也相应展宽,展宽过程中脉冲一直未分裂. 图4(c)是随着泵浦功率的增加,脉冲宽度与输出功率的演化图,泵浦功率从120 mW升高到448 mW,脉冲宽度由1.25 ns增宽到4.35 ns,输出功率也随之从4.8 mW增大到16.9 mW,其腔内单脉冲能量相应从2.19 nJ增加到7.72 nJ.

(a) 光谱演化;(b) 脉冲演化;(c) 泵浦功率与脉冲宽度、输出功率变化关系

2.2 相邻脉冲间距不等的类噪声脉冲簇

一般来说,泵浦功率增加到一定程度,腔内非线性相移会积累过量,锁模脉冲容易发生分裂,从而形成多脉冲. 为了获得丰富的多脉冲演化行为,升高泵浦功率到460 mW,矩形类噪声脉冲开始分裂,由单脉冲分裂为3个次脉冲,相邻脉冲间距不相等,脉冲序列如下页图5(a)所示. 保持泵浦功率460 mW不变,通过改变腔内偏振控制器PC1与PC2的状态,周期时间内所对应的脉冲数量由原来的3个变为4个和6个,如图5(b)和5(c)所示. 插图是多脉冲状态下单个类噪声脉冲的放大图,每个脉冲波包形状均为矩形,随着脉冲簇内次脉冲数目的增加,脉宽从1.7 ns减小到0.5 ns. 在整个调节偏振控制器的过程中,由脉冲序列图中可知,脉冲簇中的脉冲个数逐渐增多,脉冲宽度逐渐减小,且相邻脉冲间的间距不相等,随机分布. 这种随机变化的脉冲间距可能源于脉冲之间的相互作用.

(a) 3脉冲;(b) 4脉冲;(c) 6脉冲

2.3 相邻脉冲间距相等的类噪声脉冲簇

进一步仔细调节偏振控制器PC1,固定PC2的角度不变,当泵浦功率达到480 mW时,由于相位关系的改变,在示波器上可以观察到另一种多脉冲运行状态,如图6所示. 图6(a)给出的是矩形类噪声单脉冲分裂为2个脉冲,这2个脉冲形成脉冲簇,整体作为一个单元以基频的方式在腔内传输. 固定偏振控制器PC1,轻微调节PC2,并逐渐增大泵浦功率到495 mW、515 mW,脉冲继续发生分裂,在相等时间间隔的位置分裂出第3个次脉冲与第4个次脉冲,如图6(b)和6(c)所示,因此,这3种情况下脉冲簇内的次脉冲之间具有相等的时间间隔,大约为9 ns. 内插图为锁模脉冲序列中的单个脉冲放大图,可以观察到每个脉冲形状均为矩形,脉冲宽度由1.1 ns减小到0.55 ns. 所有脉冲峰值强度近似相等,说明时域波形稳定性较好.

(a) 2脉冲;(b) 3脉冲;(c) 4脉冲

2.4 谐波类噪声

实验中,升高泵浦功率到446 mW,固定偏振控制器PC1,微调PC2的角度,在适当的偏振状态下,谐振腔可以实现基频矩形类噪声脉冲输出,锁模脉冲序列如下页图7(a)所示. 脉冲与脉冲之间的间距约为460 ns,对应基频2.19 MHz,这是由谐振腔的总长度决定的. 保持偏振控制器PC1与PC2的角度均不变,逐渐升高泵浦功率到469 mW、492 mW,可以观察到锁模脉冲发生分裂,获得谐波锁模输出. 如图7(b)为2次谐波锁模脉冲序列图,一个时间周期内单脉冲分裂为2个次脉冲,相邻脉冲间距减小到230 ns,对应脉冲的重复频率为4.38 MHz. 4次谐波的脉冲序列如图7(c)所示,在一个时间周期内,脉冲数目由2个增加到4个,脉冲间隔减小为115 ns,相应重复频率增大到为8.76 MHz. 插图为锁模脉冲序列的单个脉冲展示,脉冲形状保持矩形不变,脉冲宽度由1.23 ns减小到0.45 ns. 整个演化过程中,锁模光谱形状无明显变化,所有脉冲峰值强度几乎保持一致. 与前述的脉冲簇不同的是,脉冲序列中所有脉冲保持一致的间距. 本质上,谐波锁模的产生与谐振腔内的损耗和增益恢复所导致的群速度失谐相关,进而使相邻脉冲之间产生相互排斥作用. 实验中,随着脉冲分裂数目的变化,宽且光滑的光谱轮廓始终保持不变. 多脉冲自相关迹表现为典型类噪声锁模特征,表明激光器工作在类噪声状态下不变.

(a) 基频;(b) 2次谐波;(c) 4次谐波

在被动锁模光纤激光器中,非线性效应是导致脉冲演化与动力学过程产生的关键. 虽然类噪声在示波器上呈现为一个“单脉冲”,实际上矩形类噪声是一个大的脉冲包络,由许多振幅和脉宽不相同的超短脉冲束缚在一起的波包. 此外,泵浦功率或者偏振控制器的改变都会造成腔内非线性效应的改变,从而导致脉冲之间的相互作用也会改变. 矩形类噪声脉冲与耗散孤子共振脉冲不同,能量不会持续增大,而是在特定条件下产生脉冲分裂,分裂出来的小脉冲通过随机地重构会重新演化成其他的矩形类噪声脉冲. 因此,通过改变这些已经形成的矩形类噪声多脉冲之间的非线性相互作用,多脉冲在腔内进行重组,从而演化出不同形态的矩形类噪声多脉冲. 这一极为特殊的性质,有助于我们进一步理解矩形类噪声脉冲的物理机制.

3 结 论

本文基于非线性光纤环形镜的“8”字形腔结构被动锁模掺铒激光器实现了稳定的类噪声锁模. 脉冲间距不等、脉冲间距相等的矩形类噪声脉冲簇以及各阶谐波类噪声多脉冲可以通过仔细调节偏振控制器与泵浦功率相继实现. 我们发现随着腔内脉冲数的增加,单个矩形类噪声脉冲宽度逐渐减小. 实验结果有助于进一步理解矩形类噪声多脉冲的机理与动力学特性. 另外,Sagnac环形镜作为实验中激光器的锁模器件,它既可以作为一个可饱和吸收体,也可以发挥梳状滤波的功能. 通过适当地调节环内光纤的双折射,在此腔形结构中,多波长矩形类噪声脉冲将有望被实现.