基于非线性管理的类噪声掺铒锁模光纤激光器

被动锁模光纤激光器由于其光束质量好、结构紧凑、体积小、制作成本低、可调谐以及容易产生超短脉冲等优点^［1-3］，在光纤通信^［4］、光纤传感^［5］、光学频率测量^［6］和航空航天领域^［7］具有潜在的应用价值。近几十年来，利用被动锁模光纤激光器可以产生多种类型的锁模脉冲，如高斯脉冲^［8］、自相似脉冲^［9］、孤子脉冲^［10］、类噪声脉冲^［11］（Noise-Like Pulse，NLP）等等。其中，NLP是锁模激光器在一定条件下产生的一种特殊脉冲，由于其具有脉冲宽度宽、能量高以及低时域相干性^［12-13］等特点被广泛应用于低相干光谱干涉仪^［14］、微加工^［15］、超连续谱产生^［16］等领域。因此，研究类噪声锁模光纤激光器具有重要意义。

目前，基于被动锁模技术的类噪声掺铒光纤激光器的研究已经被大量报道。1997年，以色列的HRORWITZ M等^［17］首次在非线性偏振旋转（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）掺铒光纤激光器中成功实现了尖峰脉冲宽度为190 fs、波长范围为1 495~1 620 nm的NLP输出。随后，XIA Handing等^［18］通过在NPR锁模光纤激光谐振腔内引入20 m增益光纤，实现了重复频率为9.36 MHz、光谱范围为1 500~1 650 nm的类噪声锁模脉冲输出。LUO Aiping等^［19］通过在非线性环形镜掺铒锁模光纤激光器中引入32.8 m的单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）和4 m的增益光纤，实现了光谱范围为1 540~1 600 nm的类噪声锁模脉冲输出。WANG Zhenhong等^［20］通过在掺铒光纤激光器中放置10 m的增益光纤，实现了光谱范围为1 545~1 620 nm的类噪声锁模脉冲输出。CHENG Xi等^［21］在NPR掺铒光纤激光器中利用45°倾斜光纤光栅，产生了尖峰脉冲宽度为420 fs、光谱范围为1 540~1 630 nm的类噪声锁模脉冲。在以上报道中，研究人员大都是利用较长的增益光纤或者SMF调节腔内色散和积累非线性，以此获得类噪声锁模脉冲的输出，其输出光谱范围都在1 495~1 650 nm之间。到目前为止，基于NPR锁模机制，采用高非线性光纤（Highly Nonlinear Fiber， HNLF）管理激光腔内非线性实现宽光谱类噪声锁模光纤激光器尚未见相关文献报道。

因此，本文通过HNLF和色散补偿光纤（Dispersion Compensation Fiber， DCF）来实现激光腔内非线性和色散管理，利用NPR技术最终获得稳定的类噪声锁模脉冲输出，首先在腔内加入较短的非线性光纤，实现超短脉冲的稳定输出，其脉冲中心波长为1 534 nm，脉冲宽度为1.9 ps，重复频率为20.1 MHz，40 dB带宽约为100 nm。为了进一步提高腔内非线性效应，将非线性光纤增长至30 cm，获得了稳定的宽谱类噪声锁模激光输出，其光谱覆盖范围为1 280~1 850 nm，40 dB光谱带宽达到500 nm。同时通过实验发现，类噪声锁模脉冲的基座脉冲宽度和尖峰脉冲宽度随泵浦功率的演化呈相反趋势，且光谱覆盖范围随泵浦功率的增加而展宽。目前，由于使用的泵浦激光功率有限，后续可以选用更高功率的泵浦激光实现光谱的进一步拓展。

为了利用非线性管理技术来获得稳定的锁模激光输出，首先对基于6 cm非线性光纤的掺铒锁模光纤激光器进行理论模拟，为后续的实验设计提供理论指导。在理论上采用分步傅里叶算法求解非线性薛定谔方程，模拟掺铒光纤谐振腔内脉冲演化过程。图1（a）为其锁模激光器的理论模型。该环形腔由SMF、掺铒光纤（Erbium-doped Fiber， EDF）、DCF、HNLF、可饱和吸收体（Saturable Absorber， SA）和输出耦合器（Output Coupler， OC）组成。

图1  被动锁模光纤激光器理论模拟特性

Fig.1  The theoretical simulation characteristics of passive mode-locked fibre laser

在模拟中，利用广义非线性薛定谔方程来描述脉冲的传播

式中，A表示光脉冲的振幅，α是损耗，β₂是群速度色散，ɤ是非线性系数，Ã是A（t）的傅里叶分量，g（ω）是增益，它与频率ω有关，并考虑到增益饱和效应

在式（2）中，g₀为小增益信号，E_sat为增益饱和能量，E_pulse为脉冲能量。图1（b）给出了时域上信号从白噪声起振到形成锁模脉冲的自洽过程。从图中可以看出，脉冲可以从白噪声中迅速提取，经增益光纤放大，并通过SA实现脉冲的稳定，整个自洽过程循环50圈以后就可以完成。图1（c）为其展宽脉冲型的典型自相关轨迹，一般采用双曲正割或者高斯函数进行拟合。当进一步增加HNLF的长度，使得腔内非线性效应增强，由于脉冲坍塌和峰值功率箝制效应的共同作用可以实现NLP运转，其脉冲的时域演化过程如图2所示。图2（a）为NLP的时域演化过程，可以看出，经过有限次的循环，NLP可以稳定地运转。图2（b）是对应的自相关曲线演化图，从图中我们可以发现，宽脉冲底座上有一个较窄的尖峰，由于尖峰脉冲较窄，在图中需要仔细分辨。图2（c）为典型的NLP自相关曲线，通过自相关曲线可以最直观的分辨NLP。通过对该锁模系统的理论分析，为后续实验设计提供了理论指导。

图2  类噪声锁模光纤激光器理论模拟特性

Fig.2  The theoretical simulation characteristics of noise-like mode-locked fiber laser

在理论模拟的基础上，选择最佳的谐振腔参数，在实验上搭建基于HNLF和DCF的被动锁模掺铒光纤激光器，实验装置如图3所示。激光泵浦源采用输出波长为976 nm的半导体激光二极管（Laser Diode， LD），最高泵浦功率为1 100 mW。980/1 550 nm波分复用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）可将LD的泵浦激光耦合到掺铒增益光纤中，其中WDM的尾纤为0.4 m长的HI1060光纤，群速度色散为-0.001 3 ps²/m。增益光纤选用60 cm长的EDF（Er110-4/125），群速度色散（Group Velocity Dispersion，GVD-β₂）为0.013 4 ps²/m。在增益光纤之后引入一段HNLF，其零色散波长为1 550 nm，非线性系数为10.7 W^-1km^-1，在1 550 nm处的色散斜率和色散量分别为0.03 ps·nm^-2·km^-1、-0.007 6 ps²/m，主要用于对谐振腔内的非线性进行管理。为了减小EDF、DCF与HNLF之间的熔接损耗，在HNLF前后各熔接一段SMF（SMF-28），其群速度色散为-0.022 ps²/m。SMF与HNLF之间的熔接模式主要通过改变主放电时间和主放电功率进行优化，通过优化，其熔接损耗可以低至 0.03 dB。为实现腔内色散的调整，选用2.5 m长的DCF（β₂=0.048 ps²/m）。腔内剩余光纤为SMF-28。空间部分主要包括2个λ/2波片（Half-Wave Plate，HWP）、2个λ/4波片（Quarter-Wave Plate，QWP）、1个偏振分光棱镜（Polarizing Beam Splitter，PBS）、1个空间隔离器（Polarization Dependent Isolator，PD-ISO）和2个准直器（Collimator，Col）。其中2个Col将光纤中的光导出至空间并耦合形成回路，PD-ISO用来确保谐振腔内的光保持单向运转。利用λ/4波片、λ/2波片和PBS来精确调控腔内光偏振态，进而实现激光达到锁模状态。激光的光谱采用横河的光谱分析仪（YOKOGAWA，AQ6370D，最小分辨率为0.02 nm，监测范围为1 200~2 400 nm）进行测试，脉冲宽度利用自相关仪（Pulsecheck USB，APE）测量，信噪比由频谱分析仪（Agilent Technologies E4407B）测量，脉冲序列由带宽500 MHz数字存储示波器（Tektronix，MDO3054）配合光电探测器监测。

图3  掺铒锁模光纤激光器实验装置图

Fig. 3  The experimental setup of erbium-doped mode-locked fiber laser

当泵浦激光功率为600 mW，通过调整谐振腔内的波片角度可以获得稳定的超短脉冲输出。此时谐振腔内的HNLF长度为6 cm，腔内净色散为-0.019 ps²。图4为该系统的典型输出特性。图4（a）为该激光谐振腔的光谱数据，从图中可以看出，中心波长在1 534 nm，输出光谱的40 dB带宽约为100 nm，波长范围从1 480 nm到1 580 nm。图4（b）是一个典型的均匀锁模脉冲序列，可以看到脉冲强度基本相等，且分布均匀，相邻脉冲之间的时间间隔为50 ns，属于单脉冲锁模状态，对应的脉冲重复频率为20.1 MHz。测量的脉冲宽度为1.9 ps，如图4（c）所示，对应的时间带宽积为6.96，这说明腔内存在较多的啁啾。输出脉冲的射频频谱如图4（d）所示。观测到基频为20.1 MHz的强信号峰值，其信噪比约为66 dB。插图是从0 MHz到500 MHz范围内的射频频谱，表明该激光器在高度稳定的状态下工作。通过自相关曲线可以看出，该系统未产生NLP。

图4  展宽型掺铒锁模光纤激光器的输出特性

Fig. 4  Output characteristics of broadband erbium-doped mode-locked fiber lasers

在此基础上，将腔内HNLF的长度增加至30 cm，腔内总色散为-0.021 ps²。当泵浦功率为1 100 mW时，通过适当地调节波片的状态，该激光系统可以实现NLP运转。图5展示了在泵浦功率为1 100 mW时，类噪声锁模脉冲的脉冲序列、光谱图、自相关曲线以及射频频谱图。图5（a）为类噪声锁模脉冲的光谱，从图中可以看出，类噪声脉冲的中心波长在1 553 nm，40 dB光谱带宽约为500 nm，光谱覆盖1 280~1 850 nm，此时的光谱范围明显增大，这主要是由于NLP通过HNLF传输时，其频域和时域演化受到了多种非线性效应的影响。所有这些非线性过程都能在NLP频谱内产生新的频率成分，进一步展宽了光谱。图5（b）是一个典型的锁模脉冲序列，脉冲的幅度均匀一致，相邻脉冲之间的时间间隔为51 ns。对应的脉冲重复频率为19.7 MHz，与10.5 m的总腔长相符。输出NLP的射频频谱如图5（c）所示。基频为19.7 MHz的强信号峰值，其信噪比约为45 dB。该信号有噪声基座，是典型的NLP激光器特征。插图是从0 MHz到500 MHz范围内的射频频谱，表明该类噪声锁模光纤激光器在比较稳定的状态下工作。为了进一步确定是锁模NLP，使用商用的自相关仪测量了不同扫描范围内脉冲的自相关曲线，如图5（d）所示。通过图5（d）可以清楚地看到，在50 ps的扫描范围内，自相关曲线包含了一个大的能量底座，一个窄的尖峰位于大的基座上，其尖峰与基座的强度比为0.5，基座的脉冲宽度为26.6 ps。这是典型的NLP的特点，一个大的脉冲包络由许多振幅和相位不相同的超短脉冲组成。对尖峰采用高斯曲线拟合，拟合之后的尖峰脉冲宽度为70.9 fs，结果如图5（d）的插图所示。皮秒基座的出现表明，所研究的光场是由皮秒波包组成的，其内部是由许多强度和宽度随机演化的飞秒脉冲构成的精细结构。另一方面，飞秒峰值表明波包内的脉冲具有飞秒级的持续时间。尖峰与基座的强度比为0.5，表明光场的光谱成分是高度不相关的，因此光场具有较低的时域相干性^［22-24］。同时，也表明飞秒脉冲的强度是随机变化的^{［17，22-23］}。

图5  泵浦功率为1 100 mW时类噪声被动锁模光纤激光器的输出特性

Fig. 5  Output characteristics of a noise-like passive mode-locked fiber laser with pumping power of 1 100 mW

当泵浦功率为1 100 mW时，得到最大的输出功率为2.08 mW，类噪声锁模光纤激光器的平均输出功率随泵浦功率的变化关系如图6（a）所示。激光输出曲线并未出现功率饱和，由于泵浦功率的限制，并没有继续增加泵浦功率。从图中可以看出，当泵浦功率为0~500 mW时，该激光器输出的是连续波；当泵浦功率为500~1 100 mW时，由于DCF和HNLF控制腔内色散和提供非线性效应，以及适当地调节偏振控制器，该激光器实现了宽带光谱类噪声锁模脉冲的输出。其锁模阈值相对较高，这主要是由于HNLF的熔接损耗以及所用器件都是常规器件，工作带宽相对较窄。因此，需要采用较大的泵浦功率来达到锁模阈值，相比谐振腔内没有HNFL的情况下，激光器的斜率效率从2%降低至0.18%，这主要是由于腔体中异质光纤的模场不匹配导致损耗过大，使得类噪声锁模光纤激光器的斜率斜率降低。为了验证类噪声锁模光纤激光器的功率稳定性，采用功率计（Gentec-EO MASTERRO）测量了其输出功率，我们对其输出功率进行了2 h的监测，监测结果如图6（b）所示。从图中可以看出，输出功率始终保持在1.01 mW左右，通过计算可得，2 h的均方根（Root Mean Square， RMS）为1.14%，说明它具有良好的环境稳定性。

图6  类噪声锁模光纤激光器的输出功率和功率稳定性

Fig. 6  Output power and power stability of noise-like mode-locked fiber laser

在获得类噪声锁模脉冲后，研究了不同泵浦功率下NLP的输出光谱和对应的自相关曲线。当泵浦功率为500~1 000 mW时，该激光器一直处于NLP锁模状态，其光谱特性和时域特性如图7所示。从图7（a）中可以看出，随着泵浦功率的增加，尖峰脉冲的持续时间略有减少，这一特征主要是源于光谱带宽逐渐变宽的事实。相反地，随着泵浦功率的增加，基座的脉冲宽度逐渐变宽，其结果如图7（a）所示。这主要是由于随着泵浦功率的增加，小脉冲数量会不断增加，NLP的持续时间也会相应变长。从图7（b）可以看出，随着泵浦功率的增加，光谱的形状基本保持不变，输出光谱同时向短波长和长波长两个方向展宽，光谱覆盖范围逐渐增大。这主要是由于随着泵浦功率的增加，耦合进HNLF的功率不断提高。因此，NLP在通过HNLF传输时，由于自相位调制、孤子自频移等非线性效应的综合作用不断增强，使得光谱逐渐展宽。随着泵浦功率的提高，NLP的平均输出功率还一直在增加，其光谱也一直在变宽，说明还未达到饱和展宽阶段，还有进一步提高功率和展宽光谱的空间。通过本实验的研究，后续可以通过定制宽带宽工作的光纤器件，选用更高功率的泵浦激光，优化HNLF的熔接损耗，进而获得更宽光谱的类噪声锁模脉冲输出。

图7  不同泵浦功率下类噪声锁模光纤激光器的输出光谱和自相关曲线

Fig. 7  Output spectra and autocorreltion traces of noise-like mode-locked fiber laser at different pump powers

本文研究了一种基于非线性和色散管理技术的NPR类噪声锁模光纤激光器。为了获得类噪声锁模脉冲的输出，在激光谐振腔内引入30 cm HNLF和2.5 m DCF管理腔内非线性和色散。当泵浦功率为1.1 W时，由于色散和非线性效应的影响，该激光器获得了尖峰脉冲宽度和包络脉冲宽度分别为70.9 fs、26.6 ps，40 dB光谱带宽为500 nm，重复频率为19.7 MHz的类噪声锁模脉冲输出。同时实验发现，随着泵浦功率的增加，类噪声锁模光纤激光器的输出光谱范围变得更宽。本文的研究为制备宽光谱类噪声锁模激光光源提供了可行方案，由于其紧凑、输出稳定、易制作等的特点，它具有很大的应用潜力。