飛秒鎖模光纖激光器及倍頻程超連續譜試驗研究

趙羽西，王 驥，張文璽，陳大勇，楊瑞強，代 虎

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

2005年，德國亨施教授與美國霍爾教授因飛秒光學頻率梳技術的貢獻獲得了諾貝爾物理學獎。飛秒光學頻率梳作為連接光學頻率與微波頻率的橋梁，在基礎科學與工程應用上均顯現出巨大價值，目前已在真空分壓力測量[1]、光學頻率直接測量[2-5]、高精度絕對距離測量[6-9]、精密光譜學[10-13]、時間頻率標準傳遞[14-16]、天文光譜定標[17-18]及光鐘[19-22]等領域獲得了廣泛應用。

光頻梳是一種由頻率間隔嚴格相等的分立頻率模組成的寬譜光源，好比一把可以測量光頻率的尺子，因此也被稱作光學頻率尺[23]。基于鎖模激光器的飛秒光頻梳是目前研究與應用較為廣泛的方法。采用該方法，通過控制飛秒激光脈沖的載波包絡相位偏移頻率和重復頻率，可以精準控制其時頻特性，輸出頻譜覆蓋范圍超過一個倍頻程的寬帶光譜[24-28]。作為第一代光學頻率梳，基于克爾透鏡鎖模的摻鈦藍寶石激光器的光頻梳具有脈沖窄、光譜寬、功率高及噪聲低等優點，在科學研究中被廣泛應用。但是，它也存在成本高、結構復雜、維護困難、環境適應性差等缺點，不適合在工作環境惡劣的工程中應用。

近年來，隨著二極管激光器（LD）的發展，LD泵浦高功率鎖模激光器在光纖通訊、超精細微加工、高密度信息存儲、時間分辨光譜、非線性光學、激光測距、全光網絡、激光醫療等領域被廣泛應用，第二代光頻梳也應運而生。該激光器具有脈寬窄、重復頻率高、調諧性好、抗干擾能力強、易于集成等優點[29]。目前廣泛研究的鎖模光纖激光器主要分為三類：主動鎖模光纖激光器、被動鎖模光纖激光器和混合鎖模光纖激光器。被動鎖模是目前應用較為廣泛且行之有效的一種方法，它利用光脈沖傳輸時的可飽和吸收效應實現被動鎖模。腔結構和鎖模機制是光纖光頻梳的核心部分。典型的腔結構有“8”字腔、“9”字腔、線性腔和環形腔。可以通過半導體可飽和吸收鏡（SESAM）、碳納米管飽和吸收體機制、非線性偏振旋轉機制、非線性環路放大鏡機制等鎖模方式產生飛秒脈沖。與主動鎖模相比，被動鎖模具有可以產生更短的脈沖且無需復雜有源調制器件的優勢。根據增益光纖種類和波段不同，光纖光頻梳主要分為摻鐿光纖光頻梳（中心波長為1 040 nm）、摻鉺光纖光頻梳（中心波長為1 056 nm）和摻銩光纖光頻梳（中心波長為2 μm）。在光纖光學頻率梳方面，國內外相關研究已經取得豐碩成果。2004年，美國NIST的Washburn等[28]首次報道了1.5 μm波段的摻鉺光纖光頻梳，其諧振腔采用全光纖“8”字形腔結構，輸出脈沖序列重復頻率為50 MHz。2018年，美國Coddington小組報道了一臺重復頻率為100 MHz，功耗僅為5 W的光纖/波導混合結構的自參考摻鉺光纖光頻梳[29]。國內目前開展光纖光頻梳的研究單位主要有中國科學院物理研究所、清華大學、北京大學、華東師范大學、中國計量院、中國科學院國家授時中心和中國科學院西安光學精密機械研究所等。2010年，中國計量院成功研制一套重復頻率為250 MHz的摻鉺光纖光頻梳系統，該光頻梳諧振腔采用自由空間器件進行高重頻鎖模，實現了對1 064 nm的碘穩頻Nd：YAG固體激光器的絕對光學頻率測量[30-31]。清華大學的李巖課題組開展了基于SESAM和NPR混合鎖模機制的摻鉺光纖光頻梳研制工作，利用自動光延遲線實現了1.8 MHz范圍的重頻調節[32-33]。華東師范大學曾和平課題組開展了基于全保偏摻鉺光纖“8”字腔光纖激光器的研究，獲得56.38 MHz重復頻率的飛秒光纖振蕩源[34]。2014年西安光學精密機械研究所采用基于SESAM鎖模機制的環形腔飛秒激光器研制出重復頻率為50 MHz雙飛秒光纖光頻梳系統[35]。

目前，可應用的全光纖光梳重復頻率主要集中在100 MHz以下，更高重復頻率的鎖模光纖激光器往往采用自由空間器件（包括波片、偏振分束器和準直器）來實現。與含自由空間器件的激光器相比，全光纖類鎖模激光器穩定性更好、結構更加緊湊。本文將介紹一種109.1 MHz重復頻率的全光纖飛秒鎖模激光器及其倍頻程超連續譜產生方法，為高重頻星載光纖光梳研制奠定基礎。

1 試驗裝置與工作原理

采用非線性偏振旋轉方式對摻鉺光纖飛秒激光器進行鎖模。圖1中（Ⅰ）為鎖模激光器結構。鎖模振蕩腔由974 nm泵浦激光器PUMP、摻鉺增益光纖Er110-4/125、單模光纖SMF-28e、波分復用器WDM、耦合器OC、偏振相關光隔離器PI-ISO和電控偏振控制器EPC組成。974 nm泵浦光經過980 nm/1 550 nm波分復用器WDM耦合進入鎖模激光器腔內，通過前向泵浦的方式激勵摻鉺光纖產生1 550 nm波長的脈沖光，974 nm泵浦激光器輸出的最大功率為600 mW。用LIEKKI公司38 cm長的Er110-4/125摻鉺光纖作為增益介質，該光纖具有增益大和正色散特性，在1 530 nm處的吸收率為110 dB/m，有利于獲取高重復頻率的飛秒脈沖激光。需要注意的是，摻鉺光纖的長度對腔內增益有直接影響，其長度一般在30～40 cm之間，并與泵浦光強相匹配，太長或者太短的摻鉺光纖均會使增益降低，甚至無法鎖模。偏振相關光纖隔離器PI-ISO的作用是檢偏和保證腔內激光光路的單向運行。腔內激光通過分束比為20∶80的光纖1×2耦合器向腔外輸出20%的脈沖光。此外，該激光器中還預裝了壓電陶瓷PZT，用以對腔內光纖進行拉伸，實現后續鎖模激光器重復頻率的鎖定。Er110-4/125增益光纖在1 550 nm處的群速度色散為12 fs2/mm。波分復用器、光隔離器、光分束器以及偏振控制器在腔內的尾纖均為SMF-28e單模光纖，在1 550 nm處的群速度色散為23 fs2/mm，總長度約為1.5 m。經過估算，腔內凈色散約為29 250 fs2，因此激光器工作于孤子鎖模狀態。

光脈沖在光纖中傳輸時由于光纖雙折射、自相位調制、互相位調制和色散效應的綜合影響，光脈沖前后沿與脈沖尖峰位置的偏振態發生不同程度偏轉[13-14]，因此在脈沖到達隔離器之前，脈沖尖峰和前后沿的偏振態存在較大差別。通過調節3路控制電壓驅動EPC內部壓電陶瓷擠壓光纖，使脈沖尖峰的偏振態與起偏器的透振方向一致而得以無損通過，脈沖前后沿部分被削去導致脈沖寬度變窄，多次腔內循環之后脈沖寬度實現自洽而鎖模。鎖模激光器輸出的光脈沖經光電探測器轉換為電脈沖信號進入自動鎖模電路，通過脈沖幅度和重復頻率穩定度自動識別激光器是否進入鎖模狀態。

從鎖模激光器出射的單個脈沖能量較低，不能滿足后續產生倍頻程超連續譜的峰值功率要求，因此必須對脈沖功率進行放大。為了獲得全光纖放大系統、盡可能縮短光纖鏈路長度，須采用非線性脈沖放大技術提升脈沖峰值功率。1 550 nm種子光脈沖經過光纖隔離器后，進入單級雙向泵浦非線性放大系統，如圖1（Ⅱ）所示。放大器增益光纖采用LIEKKI公司的摻鉺光纖Er80-8/125，該光纖在1 530 nm處的吸收率為80 dB/m，模場直徑為9.5 μm，與普通單模光纖SMF-28e的模場直徑相近，能夠有效減小模場失配引入的能量損耗。種子光脈沖進入放大器之前先經過一段負色散的SMF-28e光纖展寬脈沖，該脈沖帶有負啁啾。在該段展寬器單模光纖處增加一個光纖偏振控制器以調節放大器出射脈沖的偏振態。該負啁啾脈沖在增益光纖內被放大，脈沖峰值功率逐漸增大，非線性效應逐漸變得顯著。非線性效應使脈沖頂峰位置產生線性正啁啾，與脈沖自帶的負啁啾相互抵消，脈沖中間部分寬度被逐漸壓縮；同時，非線性效應也使脈沖兩翼產生非線性負啁啾，使兩翼迅速展寬鋪平，從而獲得窄脈沖和較高的峰值功率。

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system

通過優化光纖隔離器前端SMF-28e單模光纖的長度，脈沖寬度可以被壓縮至最窄。在放大器輸出端直接熔接一段7 cm長的高非線性光纖HNLF，該光纖為OFS公司生產的零色散斜率高非線性光纖，非線性系數高達10.8 W-1·m-1，色散系數為-2.8 fs2/mm，模場直徑4.3 μm。通過優化熔接機的主放電功率、放電時間等熔接參數，減小了高非線性光纖與單模光纖的模場失配，大幅降低了熔接點損耗，使實測的單點損耗低于1 dB。高峰值功率飛秒脈沖進入零色散斜率高非線性光纖，形成高階光孤子。在高階色散和非線性效應的擾動下，高階孤子發生分裂，在負色散的低頻波段產生多個低階光孤子，并在正色散的高頻波段形成非孤子輻射波。在自相位調制、交叉相位調制、四波混頻、拉曼自頻移等非線性效應共同作用下，激光光譜快速展寬，形成倍頻程超連續譜，為后續的載波包絡相位偏移頻率測量奠定基礎。

2 試驗結果與分析

改變偏振控制器3軸的加載電壓，當泵浦激光功率為420 mW時，激光器獲得穩定的鎖模激光輸出，脈沖重復頻率為109.1 MHz，平均功率為30 mW，光譜半高全寬約為20 nm，如圖2（a）所示。光譜兩側有明顯的Kelly邊帶，證明諧振腔內為孤子鎖模[36]。由于腔內正負色散元件交替出現，因此脈沖寬度在腔內也呈現交替變化，當脈沖為最窄寬度時，腔內峰值功率過高引起光纖的非線性效應，在一定程度上誘發了光譜的進一步展寬。該激光器直接輸出激光的脈沖帶有正啁啾，經過一段負色散光纖壓縮后脈沖寬度為90 fs，如圖 2（b）所示。

圖2 鎖模激光器輸出脈沖參數Fig.2 Output pulse parameters of the mode-locked laser

增益是脈沖放大器最主要的參數之一，在種子功率一定的情況下，主要受摻鉺光纖長度和泵浦功率影響。通過試驗測試了脈沖放大器輸出功率與摻鉺光纖長度的相互關系，測試結果如圖3所示。

圖3 摻鉺光纖長度對放大器增益的影響Fig.3 Influence of erbium-doped fiber length on amplifier g ain

從圖3可以看出，放大器增益隨摻鉺光纖長度增加先快速增大，然后逐漸變得平緩，達到峰值后，開始下降。這是因為摻鉺光纖不僅能夠發射1 550 nm的光，當上能級粒子數量不足時，還會對1 550 nm光產生強烈吸收。在泵浦激光強度一定的情況下，摻鉺光纖過長反而使放大器增益降低。因此，放大器中Er80-8/125增益光纖長度最優為95 cm，放大器增益可達到13 dB。經光隔離器進入放大器的脈沖功率為16 mW，放大器輸出脈沖平均功率為320 mW。

非線性放大器的另一個重要參數為輸出脈沖的峰值功率。同等平均功率下，脈沖寬度越窄峰值功率越高。在非線性脈沖放大器中，能夠影響脈沖寬度的因素主要有泵浦功率、光纖色散、光纖長度等，即放大器鏈路的色散量和非線性效應決定輸出脈沖的寬度和峰值功率。試驗采用固定放大器內部光纖鏈路長度，在光隔離器前增加一段普通單模光纖SMF-28e的方式，為脈沖引入一定量的負啁啾，通過優化該段單模光纖的長度使放大器輸出脈沖寬度達到最窄。通過試驗研究了輸出脈沖寬度與單模光纖長度的關系，如圖4所示。單模光纖長度為4 m時脈沖寬度最窄。此時，單脈沖能量為2.93 nJ，脈沖主峰斯特列爾比為0.7，脈沖峰值功率約為23 kW。

圖4 非線性放大器輸出的脈沖自相關曲線Fig.4 Pulse autocorrelation curve of the nonlinear amplifier output

若繼續減小單模光纖長度，因峰值功率太高，脈沖發生孤子分裂；若繼續增加單模光纖長度，脈沖底座急劇增大，峰值功率快速降低，無法有效壓縮脈沖寬度。將這些脈沖導入零色散斜率高非線性光纖后產生超連續譜。高非線性光纖長度對超連續譜影響非常大，不僅影響光譜寬度和光能量的分布，而且對1 100 nm和2 200 nm光脈沖的時間走離（兩個脈沖在時間上不重合的現象）影響巨大，選擇7 cm長的高非線性光纖，既能夠產生足夠寬的倍頻程超連續譜，又可使這兩個波長光的時域依然重疊。更短的高非線性光纖對入射脈沖的形狀和峰值功率提出了更高的要求，因此對非線性脈沖放大器輸出的脈沖光進行合理壓縮將不可避免。超連續譜的短波端光譜分布由YOKOGAWA 6370D光譜儀OSA測量，結果如圖5所示。受光譜儀工作波數限制，未測得1 700 nm以上的長波光譜。從圖中不難看出，脈沖寬度越窄，超連續譜短波下限越小，相應的超連續譜寬度越寬。

圖5 用于展寬脈沖的單模光纖長度對超連續譜寬度的影響Fig.5 Influence of single-mode fiber length for broadening pulse on supercontinuum width

圖6是單模光纖長度為4 m時，利用YOKOGAWA 6370D和6375兩臺光譜儀測量的完整超連續譜，光譜寬度覆蓋了1 100～2 200 nm，滿足載波包絡相位偏移頻率探測所需的倍頻程光譜寬度要求。

圖6 最優展寬SMF長度下試驗獲得的倍頻程超連續譜Fig.6 Octave supercontinuum obtained by experiment under the optimal SMF length

考慮到倍頻程光譜范圍內長波倍頻的需要，在擴譜過程中，將倍頻程范圍內長波成分的強度調節到高于倍頻程范圍內的短波成分。從圖6可以看到，2 200 nm波長的光強度是-26 dBm，明顯大于1 100 nm波長的光強度，有利于后續的倍頻需要。倍頻效率通常低于10%，因此低頻光強應遠高于高頻光，這樣倍頻光與基頻光的強度相差較小，對比度更高，信噪比也更好。

3 總結

本文介紹了一種利用電控偏振控制器EPC自動鎖模的全光纖飛秒鎖模激光器，脈沖寬度90 fs，重復頻率109.1 MHz。經過非線性脈沖放大后，獲得了平均功率320 mW、峰值功率23 kW的高功率脈沖。研究了非線性放大器輸出功率對摻鉺光纖長度的依賴關系，并討論了單模光纖展寬長度對放大器輸出脈寬的影響。利用零色散斜率高非線性光纖獲得了波段覆蓋1 100～2 200 nm的倍頻程超連續譜，為后續的研究工作奠定了基礎。