非线性光纤环形镜掺铒光纤激光器的实验研究
第31卷 第6期2007年12月
激 光 技 术LASER TEC HNOLOGY
V o. l 31, N o . 6D ece m be r , 2007
文章编号:1001 3806(2007) 06 0613 03
非线性光纤环形镜掺铒光纤激光器的实验研究
曹 玲, 杨玲珍
*
, 郭雄英, 周希坚
(太原理工大学理学院物理系, 太原030024)
摘要:为了研究掺铒光纤激光器超短脉冲的产生, 采用增益平坦型掺铒光纤放大器、两个偏振控制器以及3个耦合
器, 利用非线性光纤环形镜加成脉冲锁模技术, 通过改变偏振控制器的方向, 获得最大输出功率为0. 6m W 的脉冲输出, 对应的光谱宽度9n m 、中心波长1561n m 、脉冲宽度434ps 、脉冲的重复频率为1. 1MH z 。该脉冲经过掺铒光纤放大器放大后, 最大输出功率为10. 8mW 。放大后锁模脉冲的中心波长保持不变、光谱带宽稍有变窄、输出功率明显增大、脉冲宽度展宽为495ps 。实验结果表明, 采用商用的掺铒光纤放大器可实现结构简单、调节方便的掺铒光纤激光器超短脉冲输出, 且掺铒光纤激光器可以实现自启动, 并长时间稳定锁模工作。
关键词:激光技术; 非线性光纤环形镜; 被动锁模; 8 字形腔中图分类号:TN 248. 1 文献标识码:A
3+
m irror w as used fo rm ode lock i ng . By adjusti ng the pos i tion of PCs , t he pulse at 1561n m at a repe ti tion rate 1. 1MH z was obta i ned . T he m ax i m u m output po w er of the pu l se w as 0. 6m W w ith 434ps pu lse w i dth and 9n m spectru m w i dth . A fter a mp lified by EDFA,
版
environm ent .
K ey word s :
l aser technique ; non li near optical loop m irro r ; passi ve ly m ode locked ; fi gure of eight cav ity
权
所
tha t :t he ultrashort pulse coul d be gene ra ted by the Er 3+ doped fi ber l ase r usi ng a co mm erc i a l EDFA. T he self sta rting o f the m ode l o cked fibe r l aser can be ach i eved easil y and t he mode l ocked operation can be hard l y i n fluenced by the exper i m enta l
有
the max i m u m po w er of the output pu lse i s 10. 8mW and the center w ave length d i d not chang e , t he spectru m w idt h became sli ghtl y narrow, t he output po w er i ncreases greatl y and t he pulse w i dth o f the amp lified pu lse w as 495ps . The experi m enta l results s how
《
激
3+
Abstrac t :T o study the g enerati on o f u ltrasho rt pulse i n E r doped fibe r laser , the fi ber lase r w as com posed of a gain fl a ttened erb i u m doped fi be r a m plifi er (EDFA ), t w o po l ar izati on contro llers(PC s) and three couplers . A non li near optical l oop
引 言
被动锁模掺铒光纤激光器结构简单, 可以直接产生变换极限超短光脉冲, 是未来超高速、长距离光纤通信系统中的理想光脉冲源。目前实现脉冲输出的掺铒光纤激光器被动锁模技术主要有两种:一种是利用半导体可饱和吸收体来实现, 另一种是采用加成脉冲锁模技术。基于Sagnac 光纤干涉仪的 8 字形激光腔融合了非线性光纤环形镜(nonli n ear opti c al l o op m ir
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60577019); 山西省留学回国人员科研基金资助项目(2004 1)
作者简介:曹 玲(1978 ), 女, 硕士研究生, 现主要从事掺铒光纤激光器的研究。
*通讯联系人。E m a i:l office sc ience @tyut . edu . cn 收稿日期:2006 08 24; 收到修改稿日期:2006 09 13
[1]
光技
(D epart m ent o f Physics , Co lleg e of Sciences , T a i yuan U n i ve rsity o f T echno l ogy , T a i yuan 030024, Ch i na)
ror , NOL M ) 和相加脉冲锁模的优点:极少受外界环境变化的影响, 可长时间稳定锁模工作, 容易实现锁模脉冲光纤激光器工程化员的密切关注。
8 字形锁模激光器自启动锁模, 最早由英国的RI C HARDSON 提出, 实验使用T:i sapph ire , 980nm 光抽运掺铒光纤, 产生了脉宽320fs , 带宽9nm , 重复频率为50MH z~10GH z 的脉冲
[3]
[2]
术
CAO L ing, Y ANG L ing zhen , GUO X iong y ing, Z HOU X i jian
》
Experi m ental study Er doped fiber l aser based on the
nonli near optical l oop m irror
编
辑
部
。已经受到世界各国科研人
。2000年, JEON 等人在
8 字形被动锁模光纤激光器中插入声光可调谐滤波器, 得到调谐范围在50n m 的宽带可调谐光纤激光器, 重复频率2. 49MH z 、脉冲宽度为1. 5ps 。2002年, I LDAY 又通过啁啾脉冲放大再压缩的方法, 利用NOL M 得到脉宽100fs 的飞秒脉冲输出
[5][4]
。2006年,
MA 等人采用NOL M 被动锁光纤激光器, 获得了自启动锁模, 在中心波长1053nm 时, 测得光谱带宽6n m 、
脉冲宽度234. 375ps 、输出功率2. 05mW 、重复频率
[6]
3. 842MH z 。作者采用增益平坦型掺铒光纤放大器、两个偏振控制器以及3个耦合器组成光纤激光器, 并利用非线性光纤环形镜相加脉冲锁模实现掺铒光纤激光器超短脉冲输出。
实验中采用以下方案进行锁模:实验中采用一个3dB
耦合器, 同时在环镜中非对称地引入一个耦合器, 这样由于此耦合器引入的非对称损耗, NOL M 中正反方向传输不同强度的光, 将引起不同的非线性相移, 在输出端干涉压缩光脉冲, 在 8 字形激光腔内往复运转, 形成稳定的锁模运转, 信号光将通过光纤输出耦合器输出。
1 NOL M 的 8 字形腔光纤激光器锁模的物理机理
用一段光纤将光纤耦合器的两个输出端口连接起来形成一个环, 构成光纤环镜。如图1所示。据光纤
2 实验装置
8 字形腔被动锁模光纤激光器结构图, 如图2所示。掺铒光纤放大器(erbium doped fi b er a m plifier , EDFA ) 的基本部分包括有:掺铒光纤, 抽运光源, 光无
式中, T 为透射率, 为耦合器的耦合比, 为非线性系数, L 为环镜长度, P 0为输入功率。在自相位调制效应的情况下, NOL M 的透过率与耦合器的耦合比、环镜长度和输入功率有关。
当耦合比 =0. 5时, T ! 0即环形镜对任何功率信号的反射率均为100%(不计耦合器损耗时), 此时NOL M 相当于一个全反射镜。
当耦合比 ∀0. 5时, NOLM 的透射率随入射光的功率周期性变化, 当输入功率较小且 趋近0. 5时, 输
术光
技
Fi g . 2
源器件(包括耦合器、光波分复用器、光纤连接器、隔离器等) 。掺铒光纤、抽运光源的作用是提供增益; 光隔离器的作用是抑制光反射, 确保光放大器工作稳定, 它的插入损耗很低。EDFA 同时起了提供增益和光隔离器的作用, 可以提高注入光纤的功率。左边的环形腔是一个基本NOL M, 由光纤耦合器2(coup ler2, 耦合比为99#1) 、普通石英光纤长150m 、偏振控制器(PC 1) 组成, 环中相对传播的两束光的强度差由非NOL M 中非对称放置的耦合器2(Coup ler2) 引入。采用耦合比为90#10的光纤耦合器3(coupler3) 耦合输出。PC 1, PC 2为光纤偏振控制器, 用来改变光纤内传输光的偏振态, 两个光纤环中间的耦合器为一个2∃2端口的光纤耦合器1(coupler1, 耦合比为50#50) 。
实验中利用带宽500M 的示波器(Tektr onix TDS3052) 来观测激光器输出的时域特性, 用光谱仪(Ag ilent86140B) 观测激光器输出的频域特性。利用光功率计(P M S 1BF) 测量光纤激光器的输出功率。超快光电探测器(XPDV2020) 结合带宽为50GH z 的取样示波器(Ag ilent86100B ) 测量脉冲的宽度。
入光束将基本上被NOL M 反射。
脉冲峰值功率满足
数) 。当m 为偶数时, 透射率最小T m in =1-4 (1-透射率最大T max =1。NOL M 就有100%的透射率, 这就是用NOL M 进行被动锁模的物理机理, 一般取m =1, 因为这样需要较小的输入功率。自相位调制引起的相移就会使输入信号100%被透射。
8 字形腔掺铒光纤激光器基于上述锁模机理工作。输入光经过一个非3dB 耦合器, 被分成沿相反方向传输、不同强度的两束光, 反向传输的两束光由于强度不同, 虽然在光纤中经历相同的光程, 但由光纤中自相位调制、交叉相位调制等非线性效应引起的非线性相移却大大不同, 两束光在环中传输一周后在这个非3dB 耦合器相干输出。能量较小的脉冲前后沿部分被反射, 而能量较高的脉冲峰值部分被透射, 在这类可饱和吸收体作用下
[8]
版
) , 此时NOL M 相当于一个全反镜。当m 为奇数时,
权所
P 0L =m ! (m 是整1-2
有
《激
3 实验结果
当激光器达到锁模阈值功率后, 通过联合调节偏振控制器PC 1, PC 2, 获得稳定锁模脉冲输出。图3、图4为EDFA 1抽运功率100mW 时的光谱图、锁模脉冲序列图。图5为脉冲波形图(可以测出脉冲宽度), 光
, 8 字形光纤激光器就形成相加
[9]
脉冲锁模, 产生超短脉冲输出。NOL M 的耦合比在接近50#50时锁模效果最佳
, 为了得到彻底的锁模, 本
》
编
Sch e m ati c d i agra m of the fi gure of ei gh t cav i ty passivel y m ode l ocked fi ber l aser
T =1-2 (1- ) {1+co s [(1-2 ) ] P 0L ]}(1)
辑
环的透射率公式
[7]
:
部
F i g . 1 Th e fi ber loop m i rror con figurati on
F i g . 3 Spectra ofm ode l ocked pu l se
F i g . 6 The rel ationsh i p of pu m p po w er ofEDF A 2and ou t pu t po w er
EDFA 2抽运功率变化对锁模脉冲的中心波长没有影响、光谱带宽稍有变窄、输出功率明显增大, 在不同情况锁模脉冲宽度均有展宽现象:当EDFA 2抽运功率一定的条件下, EDFA 1抽运功率变化对锁模脉冲脉
F i g . 4 M ode l ocked pu l se trai
n
宽几乎没有影响(EDFA 2抽运功率为99mW, 脉冲脉宽为495ps), 当EDFA 1抽运功率一定的条件下, EDFA 2抽运功率变化对锁模脉冲脉宽有影响(见图7) 。这两种情况与前面实验得到的434ps 有展宽。
纤长度为150m 时, 获得中心波长1561nm , 脉冲宽度434ps 锁模脉冲输出, 光谱带宽为9nm, 此时获得最大输出功率为0. 6mW, 重复频率为1. 1MH z , 锁模过程可以自启动, 可长时间稳定锁模工作。
实验测得, 获得连续光输出时EDFA 1的阈值为
《
激
有
13mW, 光纤激光器自启动锁模阈值72mW, 达到阈值功率后, 抽运功率变化对锁模脉冲脉宽、锁模脉冲的中心波长没有影响。而改变光纤偏振控制器的状态, 脉宽及脉冲的中心波长均受到影响。这是由于通过改变偏振控制器的状态, 从而得到不同参数的脉冲, 中心波长的改变则是由于锁模器件的线性特性所致。且激光器实现锁模后, 降低抽运功率到锁模阈值以下时, 激光器仍能实现锁模输出。当抽运功率降至43m W 时, 仍可维持稳定的锁模状态。激光器抽运功率低于43m W 以下时, 锁模脉冲消失; 这时提高抽运功率至43m W 以上, 仍不能实现锁模运转, 直到将抽运功率提高至72mW, 激光器恢复锁模工作。以上表明激光器中存在抽运功率回滞现象, 这可解释为当抽运功率较低时, 激光器输出连续光, 腔内光功率小, 激光器无法自启动; 而当锁模脉冲形成后, 即使降低抽运功率, 单脉冲功率仍然很高, 足以维持NOL M 的非线性开关作用。
EDFA 1抽运功率为100mW 时产生的超短脉冲输入到EDF A 2装置, 用于进行超短脉冲的放大, 实验测得:中心波长为1561nm, 脉冲宽度为495ps , 光谱带宽为8nm , 最大输出功率为10. 8m W 。图6为EDFA 2抽
运功率与输出功率的关系图。
权
所
版
光技
Fi g . 7 The rel ati onsh i p of pump po w er of EDF A 2and pu l se w i d t h
4 结 论
基于非线性光纤环形镜相加脉冲锁模技术构成
3+
8 字形腔掺E r 光纤激光器, 采用增益平坦型掺铒光纤放大器、偏振控制器及耦合器实现稳定的、自起动被动锁模运转, 获得了中心波长1561nm 、重复频率1. 1MH z 、最大输出功率为10. 8m W 的超短光脉冲。由于此激光器中没有加入色散补偿器件, 输出脉冲被大大展宽, 可以预见, 如果在 8 字形腔中采用用于啁啾补偿的色散位移光纤并进一步优化环镜的长度、增益光纤长度, 则脉冲宽度可得到压缩。
参
考
文
献
[1] DENN IS M L , DULI NG IN. Role of d is pers i on i n li m iti ng pu ls e w i dth
i n fi b er l asers [J].A P L, 1993, 62(23):2911~2912.
[2] AVDOKH I N A V, POPOV S V , TAYLOR J R . T otally fi ber i ntegrated
figure of eight f e m t osecond s ou rce at 1065nm [J].Opti cs Exp ress , 2003, 11(3):265~269.
[3] RI CHARDSON D J , LA M I NG R I , P AYNE D N et a l . 320fs soliton
generation w it h pass i velym od e lock ed erb i um fi bre l aser [J].E l ectron
Lett , 1991, 27(9):730~732. [4] J EON M Y, LEE H K, AHN J T et al . W i deband w avelengt h t unab le
m ode lock ed fi b re laser over 1557n m ~1607nm [J].E lectron L ett , 2000, 36(4):300~301.
术
F i g . 5 Pulse w avefor m
》
编
辑
部
(下转第619页)
(3) 对于图3中的A 点, 必须分两种情况讨论。第1种情况:长波长光已经激射, 短波长光刚刚达到阈值。
此时P 1, s =P 2, s =0, 引入耦合因子K 1, 令P 2, l =K 1%P 1, l , 代入(4) 式、(5) 式可得:
N 2, 0#2, l g 2, l I 1, th N 1, 0
I 2, th =qV 2+K 1%-∀e #1, s g 1, s qV 1e
值上有差别, 但是电流曲线趋势基本一致, 并且双阈值
点也更接近实验结果, 证明了本方法的可行性。
3 结 论
采用传输矩阵和载流子速率方程相结合的方法分析和探讨了垂直耦合腔面发射半导体激光器的阈值特性, 利用这种方法得到了与以往的实验及理论研究相一致的结果, 证明了这种方法的可行。根据阈值电流曲线可以把CC VCSELs 分为4种激射状态, 并且可以通过控制顶腔和底腔的抽运电流来选择所需的激射状态, 研究结果对CC VCSELs 的实际应用具有一定的参考价值。
参
考
文
献
(7)
式中, N 1, 0, N 2, 0即为A 点的载流子浓度。I 1, th , I 2, th 为长波长光激射后, 短波长光达到阈值时的抽运电流。由(7) 式可以得到如图5所示的曲线E 1。
第2种情况:短波长光已经激射, 长波长光刚刚达到阈值。
此时P 1, l =P 2, l =0, 引入耦合因子K 2, 令P 2, s =K 2%P 1, s , 代入(4) 式、(5) 式可得:
N 2, 0#2, l g 2, l I 1N 1, 0, th
I 2, th =qV 1+K 2%(8) -e 1, l g 1, l qV 1e
式中, I 1, th , I 2, th 为短波长光激射后, 长波长光达到阈值时的抽运电流。由(8) 式可以得到如图5所示的曲线E 2。耦合因子K 1, K 2定义为一定波长时顶腔与底腔平均光子数的比值, 在两腔载流子浓度确定的情况下, K 1, K 2值就确定了, 具体计算方法可以结合传输矩阵和边界条件进行, 由于篇幅所限, 这里只给出计算结果:K 1=3. 17, K 2=0. 32。
由图5可以看出, 阈值电流曲线D 1, D 2, E 1, E 2把
[1] KEN I CH I I . Surface e m itti ng l aser &&&i ts birt h and generati on of ne w
lectron ics , 2000, 6(6):1201~1215.
[2] KOSAKA H. Sm art i ntegrati on and packag i ng of 2D VCSELs for h igh lectron ics , 1999, 5(2):184~193.
[3] WANG C L, PAN C L . Tunab l e mu ltiterahertz beat si gnal generation
《激
有
图分成了4个区域, 对应于CC VCSELs 的4种激射状态, 分别为未激射, 长波长光∃l 激射, 短波长光∃s 激射, 长波长光∃l 与短波长光∃s 同时激射, 通过控制顶腔和底腔的抽运电流可以选择激射状态。例如, 若需
权所
要长波长光∃l 与短波长光∃s 同时激射, 只需顶腔和
版
底腔电流取值在曲线E 1与E 2之间即可。其中的C 点为长波长光∃l 与短波长光∃s 同时达到阈值时的阈值电流, 称为双阈值点。本文中计算得到的双阈值点为(1mA, 0. 75mA ), 而文献[9]中根据速率方程模型计算得到的双阈值点为(0. 6mA, 1. 1mA ), 实验结果为(0. 6mA, 0. 3mA) 。与文献[9]中的计算结果相比较, 本文中计算结果虽然因为取值与计算误差的原因在数
(上接第615页)
[5] I LDAY F O, W ISE FW. H igh energy fe m tosecond strectched pu l se fi
ber l aser w i th a non li n ear opti ca l l oop m irror [J].Opt Lett , 2002, 27(17):1531~1533.
[6] M A H Q, Z HAO W, Z HANG W e t al . W avelengt h pass i vel y m ode
locked fi b er l aser [J].Laser T echnology , 2006, 30(3):289~291(i n
Ch i nese).
[7] DORAN N J , W OOD D. Non li n ear opti cal l oop m irror [J].Opt L ett ,
1988, 13(1):56~58.
[8] WANG Zh Y, YU Zh H, GAO P L et al . Fi gure ei gh t shape activel y
and passively mode l ocked er b i um doped fi b er l aser [J].Acta Opti ca S i n ica , 2003, 23(11):1341~1345(i n Ch i nes e).
[9] H E H R, YUAN X H. Anal ys i s of t he characteri sti cs of t he all opti cal
s w itch based on non li n ear a m p lif y i ng l oop m i rror [J].C hinese Journ al
of Lasers , 2005, 32(3):418~422(i n Ch i nese).
光技
[4] SUZUK I T , OH IDA M, YOKOYAMA K e t a l . S troboscop ic t w o w ave
lengt h i nterfero m eter for i n li ne d i splace m entm eas u re m ent [J ].CLEO Lasers and E lectro Op tics , 2003, 2:638.
e m issi on fro m coupled se m i conductor m i crocavity [J].A P L , 1997, 71(7):864~866.
[6] CARLI N J F , STANLEY R P , PELLAND I NI P et al . The du alw ave
lengt h b i vertical cavit y s urface e m itti ng l aser [J].A P L, 1999, 75(7):908~910.
[7] BRUNNER M, GULDEN K, HOVEL R e t a l . Conti nuous w ave dual
w avelengt h l asi ng i n a t w o secti on vertical cavit y l aser [J].I EEE Pho t on i cs Technol ogy Lett ers , 2000, 12(10):1316~1318.
[8] GRASSO D M, CHOQUETTE K D . Th reshol d and m od al charact eris
tics of co m posite res onat or vertical cavity l asers [J].IEEE J Q E ,
2003, 39(12):1526~1530.
[9] BADILI TA V, CARLI N J F , ILEGEM S M. Rate equation model f or
coup l ed cavity s u rface e m itti ng l asers [J ].I EEE J Q E, 2004, 40(12):1646~1656.
[10] JI A X K , LUO B, PAN W et a l . Research of gai n of verti cal cavit y
se m iconductor op tical a m p lifiers based on tran sfer m atri x m ethod [J].L aser Technology , 2005, 29(4):377~379(i n Ch i nese).
[5] PELLAND I N I P , STANLEY R P , HOUDRE R et a l . Dual w avel ength
术
fro m a t wo wavelengt h las er d i ode array [J ].Op tLett , 1995, 20(11):
1292~1294.
》
编
s peed parall el link s [J].IEEE Jou rnal Select Top ics i n Quan tu m E
辑
部
optoelectron ics fi el d [J].I EEE Jou rnal Select Topics i n Quantu m E