不同色散區Mamyshev激光器的設計

唐城田 龔睿 馬澤航 魏淮

（北京交通大學光波技術研究所全光網絡與現代通信網教育部重點實驗室 北京市 100044）

1 引言

在摻鐿光纖激光器中，通過脈沖的整形機制可以產生高能超短脈沖[1]。Mamyshev 激光器[3]的出現，使得光纖激光器的性能可以與固態激光器相媲美。通過使用不同的稀土摻雜的增益介質，這種方法為在其他光譜區域研究具有類似性能的光纖光源提供了思路。近幾年來人們對1.5μm 波段的Mamyshev 激光器進行了大量研究，但關于不同色散區Mamyshev激光器的差異至今還沒有人研究過，本文通過分析對比不同色散區Mamyshev激光器的差異，發現了導致這些差異的原因。

2 光脈沖在光纖中演化的理論模型

求解非線性薛定諤方程方程可以得到光脈沖在光纖中的演化過程[5]，方程如下：

3 1.0μm波段激光器的輸出特性

1.0μm 波段激光系統的原理圖如圖1所示。激光器由兩個Mamemshev 再生器組成，摻鐿光纖(YDF)(nLight Yb12004/125)長度為0.3m。耦合器的耦合比均為2：8(輸出：輸入)。每級濾波器對應的中心波長分別為1035 和1045nm，濾波器帶寬為6nm。每級再生器之間的SMF 長度均為0.5m，激光器工作在全正常色散狀態，腔長為1.6m，重復頻率為129MHz。

圖1：1.0μm 波段雙波長激光系統示意圖

穩定狀態下的腔內脈沖演化過程如圖2(a)所示，濾波后的脈沖頻譜如圖2(b)所示，1035nm 處脈沖峰值功率為1.38kW,1045nm 處脈沖峰值功率為1.12kW。

圖2

4 1.5μm波段激光器的輸出特性

1.5μm 波段激光器系統的原理圖與1.0μm 波段激光器腔體類似，其增益光纖為摻鉺光纖(EDF)(CorActive EDF‐L1500)，長度為4m。每級濾波器對應的中心波長分別為1530 和1540nm，濾波器帶寬均為6nm。SMF‐28 長度均為0.6m，腔長為9.2m，重復頻率約為22.4MHz。

穩定狀態下腔內脈沖演化過程如圖3(a)所示，濾波后的脈沖頻譜如圖3(b)所示，1530nm 處脈沖峰值功率為0.15kW,1540nm 處脈沖峰值功率為0.35kW。

圖3

諧振腔中的摻鉺光纖是正色散值，SMF 為負色散值，其對系統色散補償起著一定作用，對系統的功率提升和系統穩定有諸多影響，因此我們仿真模擬了在不同SMF 長度下1.5μm 波段系統的光譜圖，如圖4所示。

如圖4所示，一定長度的SMF 可以讓激光器達到穩定狀態，隨著SMF 長度的增加，腔內色散補償的能力將增強，導致腔中脈沖的功率增加，進而導致頻譜范圍向兩側擴展。

圖4：不同長度的SMF 頻譜圖

5 兩種不同波段激光器特性的對比

5.1 1.0μm與1.5μm激光器系統頻譜特性的區別

由于兩個波段增益光纖和單模光纖色散值差別較大，所以頻譜會有一定的差別。其中1μm 波段激光器工作在全正色散狀態下，而1.5μm 激光器系統的SMF 為反常色散。圖5 為不同波段激光器頻譜圖。

圖5：1.0μm 和1.5μm 激光器系統頻譜圖

從圖5 中可以看出1.0 μm 波段頻譜比較平坦，而1.5 μm 波段頻譜波動較大。對于1.0 μm 波段激光器來說只要參數選取合理，濾波器位于相對平坦的位置即可，而對于1.5μm 激光器系統來說其頻譜波動較大，需要避開頻譜的不平坦區域。

5.2 1.5μm激光器系統采用色散補償光纖

本小節研究采用保偏色散補償光纖(PMDCF)的1.5μm 激光器系統的輸出特性，用以研究能否改善系統光譜。原理圖與1.0μm 波段激光器腔體類似，EDF 長度為4m。每級濾波器對應的中心波長分別為1530 和1540nm，濾波器的帶寬均為6nm。PMDCF 長度均為0.5m，腔長為9m，重復頻率約為23 MHz。系統工作在全正色散狀態下，PMDCF 色散量要比1.0μm 激光器系統的SMF 高一個數量級。

如圖6所示，腔內無源光纖從SMF 替換為PMDCF 后光譜的平坦度有所改善，并且發現隨著PMDCF 長度的增加光譜平坦度也有所改善。

圖6：不同長度的DCF 頻譜圖

6 結論

本文分析對比了1μm 波段和1.5μm 波段Mamyshev 激光器的差異，得到了設計不同色散區Mamyshev激光器的指導性規律。PMDCF 作為1.5μm 波段激光器腔內無源光纖時有助于改善系統光譜的平坦度，所以在選擇光纖作為1.5μm 激光器系統中的無源光纖時應考慮到系統光譜特性，較平坦的光譜在濾波器選取時更容易處于穩定狀態。