一種被動鎖模光纖激光器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種被動鎖模光纖激光器，包括激光泵浦源和單向環形諧振腔；所述的單向環形諧振腔包括波分復用器、摻珥光纖、第一光纖準直器、第二光纖準直器、第一四分之一玻片、第二四分之一玻片、光隔離器、帶通濾光片、偏振分束器、二分之一玻片。本發明在采用非線性偏振旋轉鎖模的同時，利用高摻雜光纖作為增益介質，減小激光腔長度，增加激光器重復頻率；通過在激光腔中引入帶通濾光片，濾除腔中雜散分量及噪聲，降低量子噪聲導致的時鐘抖動；通過管理激光腔色散，既可以產生較窄的脈沖，又可以獲得較寬的頻譜，同時也降低了激光器的強度噪聲，可廣泛應用于光模數轉換系統（OAD）等領域。
【專利說明】一種被動鎖模光纖激光器
【技術領域】
[0001]本發明涉及光信息【技術領域】，具體是一種高重復頻率、低時鐘抖動被動鎖模光纖激光器。
【背景技術】
[0002]光纖激光器是近年來各國研究者深入研究和發展的課題，光纖激光器的表現在某些方面達到甚至超過了傳統大型固體激光器，由于光纖激光器具有體積小、成本低、易操作且穩定性高等特點，在某些應用中它已取代了傳統的固體激光器，例如需要連續光或Q開關輸出的應用。在1.0 μ m及1.5 μ m波段范圍內，提升激光器重復頻率、脈沖能量等方面的研究已取得長足進步。高重復頻率、低時鐘抖動光纖激光器具有廣泛的應用，例如光模數轉換系統(0AD)、頻率梳產生、頻率測距、光學任意波形產生(AOWG)等，并且不斷地在開拓新的應用領域，在光頻率梳產生的應用中，高重復頻率和超短脈沖的結合對于減小頻率梳產生過程中的噪聲是相當重要的；而在頻率測距中，高重復頻率意味著能夠獲得足夠大的頻率梳間距。主動鎖模激光器(包括主動諧波鎖模)能夠產生重復頻率在幾GHz甚至幾十GHz的脈沖序列，但是主動鎖模需要用到一個射頻信號發生器和一個相位或強度調制器，這會增加其系統的復雜度及使用成本，且主動鎖模激光器輸出脈沖寬度一般在皮秒量級，其時鐘抖動受限于電時鐘信號的時鐘抖動。一般來說，采用被動鎖模激光器來產生高重復頻率、低時鐘抖動脈沖，例如使用基于半導體可飽和吸收鏡(SESAM)或者單壁碳納米管鎖模的線性腔結構光纖激光器可以產生基頻重復頻率超過IGHz的激光脈沖，且時鐘抖動小于IOOfs(IKHz?IOMHz)，然而基于可飽和吸收體的脈沖整形機制受制于半導體可飽和吸收鏡吸收恢復時間長的特性，具有輸出脈沖寬度大(一般在ps量級)、光譜帶寬窄(一般小于IOnm)的特點，這就限制了某些應用，例如在高速光采樣中，脈沖寬度直接限制了 OAD系統有效比特位的提高，而光譜帶寬太窄，不利于后面使用波分復用，從而限制了系統采樣率的提高。而其它方式的被動鎖模光纖激光器一般都是利用脈沖在光纖中傳輸時累計的強度相關的非線性相移來實現鎖模，通過8字形腔或者一個腔內偏振器，這種非線性相位調制轉化為快速的幅度調制，所以使用非線性光纖環鏡鎖模的8字形腔激光器也就不適合用來產生高重復頻率脈沖，因為其鎖模需要很長的光纖來實現。在激光腔內插入F-P濾波器可以成倍增加激光器的重復頻率，但是激光器對F-P濾波器的后向反射敏感度很高，采用這種方法會大量引入噪聲，從而惡化激光器噪聲性能；而基于被動諧波鎖模的激光器也可以產生重復頻率很高的脈沖，然而這種激光器很不穩定，低時鐘抖動的獲得需要在激光腔中增加一個法布里-珀羅標準具來抑制超模，迄今為止，這種方法只在皮秒半導體激光器中實現過，即使以后實現了，這種方法也會大幅增加激光器結構的復雜性，同時降低系統的穩定性。
[0003]由于非線性偏振旋轉(NPE)具有較大的調制深度以及瞬態響應時間，因此基于這種方式鎖模的光纖激光器能夠產生較寬頻譜和超短脈沖，近年來對其的研究取得了較大的進步，而高摻珥增益光纖的出現，使這種激光器中輸出脈沖的基頻重復頻率超過了 200MHz。然而這些激光器輸出脈沖的時鐘抖動一般都比較大，且大部分激光器工作在孤子運行機制，因而限制了其輸出脈沖的頻譜寬度，還會導致多脈沖現象出現。如果能夠對激光器的噪聲特性進行改善，以降低激光器輸出脈沖的時鐘抖動，同時在該類型激光器中引入色散管理機制，使激光器運行在脈沖展寬-拉伸機制，勢必會大大改善激光器的輸出特性。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種高重復頻率、低時鐘抖動被動鎖模光纖激光器裝置，在采用非線性偏振旋轉(NPE)鎖模的同時，通過在激光腔中引入帶通濾光片，濾除腔中雜散分量及噪聲，降低量子噪聲導致的時鐘抖動；通過利用高摻雜增益光纖作為放大介質，減小激光腔長度，增加激光器重復頻率；通過選用具有不同色散值的光纖和自由空間光學元件來構成諧振腔，使激光器工作在色散管理機制，既可以產生較窄的脈沖，又可以獲得較寬的頻譜，同時也降低了激光器的強度噪聲。
[0005]本發明的技術方案如下:
[0006]一種被動鎖模光纖激光器，其特點在于，包括激光泵浦源和單向環形諧振腔；所述的單向環形諧振腔包括波分復用器、摻珥光纖、第一光纖準直器、第二光纖準直器、第一四分之一玻片、第二四分之一玻片、光隔離器、帶通濾光片、偏振分束器、二分之一玻片；
[0007]所述的光泵浦源的輸出端與波分復用器的輸入端相連，該波分復用器的公共端經摻珥光纖與第一光纖準直器的輸入端相連，所述的第二光纖準直器的輸出端與波分復用器的信號端相連，在所述的第一光纖準直器和第二光纖準直器之間依次放置所述的第一四分之一玻片、光隔離器、帶通濾光片、偏振分束器、二分之一玻片、第二四分之一玻片。
[0008]所述的光隔離器的中心波長在1500nm?1650nm之間。
[0009]所述的激光泵浦源為半導體激光器，其中心波長在970nm到990nm之間，也可以用中心波長為1475nm到1485nm之間的半導體激光器作為激光泵浦源。
[0010]所述的波分復用器為非保偏型，所用光纖為具有較大非線性系數的單模光纖。
[0011]所述的摻珥光纖為具有較大增益系數的非保偏單模光纖。
[0012]所述的光纖準直器為成對使用的光纖準直器，尾纖為標準單模光纖。
[0013]所述的帶通濾光片中心波長在1500nm?1600nm之間，帶寬在Inm到80nm范圍以內。
[0014]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0015]1.通過在激光諧振腔中引入帶通濾光片，濾除腔中雜散分量及噪聲，降低量子噪聲導致的時鐘抖動。
[0016]2.利用高摻雜增益光纖作為放大介質，減小激光腔長度，增加激光器重復頻率(>200MHz)。
[0017]3.采用基于非線性偏振旋轉(NPE)的鎖模方式，通過管理激光腔色散，使激光器工作在色散管理機制，既可以產生較窄的脈沖，又可以獲得較寬的頻譜，同時也降低了激光器的強度噪聲。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明被動鎖模光纖激光器的結構示意圖。
[0019]圖2為本發明被動鎖模光纖激光器的鎖模脈沖串。[0020]圖3為本發明被動鎖模光纖激光器的鎖模輸出光譜。
[0021]圖4為本發明被動鎖模光纖激光器的鎖模輸出脈沖。
[0022]圖5為本發明被動鎖模光纖激光器的鎖模脈沖序列在基頻的射頻譜。
[0023]圖6為本發明被動鎖模光纖激光器的鎖模脈沖序列在3GHz范圍內的射頻譜。
[0024]圖7為本發明被動鎖模光纖激光器的鎖模脈沖的相位噪聲譜和時鐘抖動值。
[0025]【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖給出本發明的一個具體實施例子。本實施例以本發明的技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0027]請先參閱圖1，圖1為本發明被動鎖模光纖激光器的結構示意圖，如圖所示，一種被動鎖模光纖激光器，包括中心波長為974nm的激光泵浦源I通過尾纖類型為0FS980的980/1550波分復用器2連接到激光器諧振腔中，泵浦源的最大輸出光功率為750mW ；980/1550波分復用器2的信號端尾纖6長度為210mm，直接將其與長度為120mm的第二光纖準直器15的引導光纖5 (SMF28)熔接；波分復用器2的公共端尾纖7長度為90mm，與長度為370mm的摻珥光纖3 (Liekki ER110-4/125)的一端熔接，摻珥光纖在1530nm處的吸收峰值為110dB/m，摻珥光纖3的另一端與長度為90mm的第一光纖準直器8的引導光纖4(SMF28)熔接；在成對使用的第一光纖準直器8與第二光纖準直器15之間，第一四分之一玻片9、1550nm光隔離器10、帶通濾光片11、偏振分束器12、二分之一玻片13以及第二四分之一玻片14沿順時針方向依次排列，與980/1550波分復用器2、摻珥光纖3和兩個光纖準直器一起構成激光諧振腔。整個激光器諧振腔的光路長度為1000mm。偏振分束器12既作為起偏器，與二分之一玻片13、兩個四分之一玻片9和14以及1550nm光隔離器10 —起構成非線性偏振旋轉鎖模器件，又作為輸出耦合器。
[0028]對于一定的泵浦光功率，諧振腔中所用的摻珥光纖長度是固定的，因此色散管理通過調節腔內具有不同色散值的單模光纖0FS980和SMF28長度來實現，整個激光諧振腔的凈色散在1550nm波長處接近零色散；當激光泵浦源的輸出功率大于650mW時，調節二分之一玻片13及兩個四分之一玻片9和14，激光器輸出重復頻率為201MHz的穩定的鎖模激光脈沖序列，如圖2所不，圖中一個網格的時間寬度是5ns。圖3為激光器的鎖模輸出光譜,從圖中可以看到，鎖模激光的中心波長為1550.6nm，3dB光譜帶寬為61.6nm。圖4為鎖模激光器的直接輸出脈沖，脈沖寬度為62.7fs。圖5為分辨率帶寬為300Hz時激光器的鎖模脈沖序列在基頻的射頻譜，可以看到基頻重復頻率為201.64MHz，邊模抑制比大于85dB。圖6為分辨率帶寬為IOOKHz時激光器鎖模脈沖在3GHz范圍內的射頻譜，進一步證實了激光器鎖模的穩定性。圖7中紅色曲線為激光器鎖模脈沖的相位噪聲譜和以及根據相位噪聲譜計算出來的時鐘抖動值，其在IKHz到IOMHz頻率范圍內的時鐘抖動為62.4fs ;黑色曲線為移去帶通濾光片11，其它條件不作任何改變后激光器鎖模脈沖的相位噪聲譜以及根據相位噪聲譜計算出來的時鐘抖動值，其在IKHz到IOMHz頻率范圍內的時鐘抖動為143.3fs。對比圖中兩條相位噪聲譜密度函數曲線可知，在激光腔中加入帶通濾光片，用于濾除腔中雜散分量及噪聲，可以大幅降低輸出脈沖序列的時鐘抖動。
[0029]所述的帶通濾光片11的中心波長為1550nm,帶寬為40nm ;所述的1550nm光隔離器10為偏振相關光隔離器，其長度為2.3cm，通光孔徑為4_ ;所述的波分復用器2為非保偏型；所述的各種光纖均為非保偏的單模光纖，其中摻珥增益光纖的群速度色散為正值，0FS980和SMF28光纖的群速度色散為負值。
[0030]除了上述外，所述的激光泵浦源I不僅局限于中心波長為974nm，其中心波長可在970nm到990nm范圍之內；所述的帶通濾光片11中心波長可為C波段任何一波長，帶寬范圍可在Inm與60nm之間；所述的色散管理不局限于激光諧振腔的凈色散接近于零，通過改變腔內不同色散值的單模光纖0FS980和SMF28的長度，所述的色散管理不局限于激光諧振腔的凈色散為1560fs2，通過改變腔內不同色散值的單模光纖0FS980和SMF28的長度，整個激光諧振腔的凈色散范圍可在_7200fs2到+4940fs2之間變化；所述的腔長不局限于1000mm，通過改變泵浦光的輸出功率和各種光纖的長度，激光器能工作在不同的重復頻率。
[0031]在上述過程中，通過在激光諧振腔中引入帶通濾光片，用于濾除腔中雜散分量及噪聲，降低了量子噪聲導致的時鐘抖動；同時通過管理激光腔色散，既可以產生較窄的脈沖，又可以獲得較寬的頻譜，同時也降低了激光器的強度噪聲。本發明可廣泛應用于光模數轉換系統(OAD)等領域。
【權利要求】
1.一種被動鎖模光纖激光器，其特征在于，包括激光泵浦源(I)和單向環形諧振腔；所述的單向環形諧振腔包括波分復用器(2)、摻珥光纖(3)、第一光纖準直器(8)、第二光纖準直器(15)、第一四分之一玻片(9)、第二四分之一玻片(14)、光隔離器(10)、帶通濾光片(11)、偏振分束器(12)、二分之一玻片(13)； 所述的光泵浦源(I)的輸出端與波分復用器(2)的輸入端相連，該波分復用器(2)的公共端經摻珥光纖(3)與第一光纖準直器(8)的輸入端相連，所述的第二光纖準直器(15)的輸出端與波分復用器(2 )的信號端相連,在所述的第一光纖準直器(8 )和第二光纖準直器(15)之間依次放置所述的第一四分之一玻片(9)、光隔離器(10)、帶通濾光片(11)、偏振分束器(12)、二分之一玻片(13)、第二四分之一玻片(14)。
2.根據權利要求1所述的被動鎖模光纖激光器，其特征在于，所述的光隔離器(10)的中心波長在1500nm?1650nm之間。
3.根據權利要求1所述的被動鎖模光纖激光器，其特征在于，所述的激光泵浦源為半導體激光器，其中心波長在970nm到990nm之間，或1475nm到1485nm之間。
4.根據權利要求1所述的被動鎖模光纖激光器，其特征在于，所述的波分復用器為非保偏型，所用光纖為具有較大非線性系數的單模光纖。
5.根據權利要求1所述的被動鎖模光纖激光器，其特征在于，所述的摻琪光纖為具有較大增益系數的非保偏單模光纖。
6.根據權利要求1所述的被動鎖模光纖激光器，其特征在于，所述的光纖準直器為成對使用的光纖準直器，尾纖為標準單模光纖。
7.根據權利要求1所述的被動鎖模光纖激光器，其特征在于，所述的帶通濾光片中心波長在1500nm到1600nm之間，帶寬在Inm與80nm范圍以內。
【文檔編號】H01S3/098GK103944042SQ201410065316
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2014年2月26日
【發明者】鄒衛文, 李杏, 陳建平 申請人:上海交通大學