多波長鎖模光纖雷射器

光纖雷射器如果能同時輸出多個波長,則雷射器被稱為多波長光纖雷射器。按工作機制可分為連續式多波長光纖雷射器和脈衝式多波長光纖雷射器。多波長鎖模脈衝光纖雷射器能夠同時在不同波長上產生超短脈衝, 這在光感測、光學測量、微波光子學、光信號處理、太赫茲波產生和波分復用(WDM) 光傳輸系統等都有著非常重要的套用.

基本介紹

• 中文名：多波長鎖模光纖雷射器
• 外文名：multi-wavelengthmood-locked fiber laber

1概述

多波長鎖模脈衝光纖雷射器能夠同時在不同波長上產生超短脈衝, 這在光感測、光學測量、微波光子學、光信號處理、太赫茲波產生和波分復用(WDM) 光傳輸系統等都有著非常重要的套用. 傳統的孤子脈衝光纖雷射器由於反常群速度色散和非線性效應的共同作用可以產生穩定的孤子脈衝輸出. 為了進一步提高雷射器鎖模脈衝能量, 在雷射諧振腔中引進了正負色散兩種光纖進行色散管理, 這樣的展寬脈衝鎖模光纖雷射器可以提高輸出的單脈衝能量和平均輸出功率. 為了獲得更高能量的鎖模脈衝, 人們研究出了輸出脈衝具有很強線性啁啾的自相似脈衝光纖雷射器.全正色散光纖雷射器成為研究熱點, 這是由於雷射腔內沒有負色散的器件, 輸出脈衝可以被去啁啾壓縮到100 fs 量級. 全正色散光纖雷射器展現了與先前的鎖模雷射器不同的脈衝形狀和演化, 單脈衝的能量達到20 nJ 量級, 甚至更高. 已有報導表明, 使用半導體飽和吸收鏡(SESAM) 鎖模的摻鉺光纖雷射器能夠產生多波長耗散孤子脈衝, 相比於傳統孤子或者色散管理孤子, 耗散孤子具有更高的脈衝能量. 然而, 由於在光纖雷射器中利用的是雷射腔本身固有雙折射的緣故, 雷射器產生的雙波長脈衝和三波長脈衝都是隨機分布的. 另外,使用一個長周期光纖光柵作為雷射器諧振腔內的頻譜濾波器, 雷射器可以調諧輸出雙波長鎖模脈衝, 但是這種雷射器產生的雙波長鎖模脈衝的波長間隔是不能調節的. 最近的一個研究中, 在一個“8”字形、正淨腔色散的摻鉺光纖雷射器中觀察到了雙波長耗散孤子的產生, 詳細的實驗測量證實雙波長鎖模是由雷射腔雙折射誘導的結果.

在多波長鎖模脈衝光纖雷射器的理論研究中,有一種理論解釋了多波長鎖模脈衝的產生和鎖模. 但是還沒有對全正色散光纖雷射器產生多波長耗散孤子脈衝的工作特性進行理論分析. 在鎖模光纖雷射器中產生的孤子分子(solitonmolecules) 是近幾年超短脈衝研究中的熱點. 孤子分子是由兩個脈衝間隔為定值的脈衝所組成, 理論上已經證明了幾種在鎖模光纖雷射器中穩定輸出的標量孤子分子, 但是目前還未在被動鎖模光纖雷射器中實現包含有耗散孤子分子的多波長脈衝.

2多波長鎖模光纖雷射器

光纖雷射器如果能同時輸出多個波長,則雷射器被稱為多波長光纖雷射器。按工作機制可分為連續式多波長光纖雷射器和脈衝式多波長光纖雷射器。此類型在需要多個波長同時工作的系統中具有重要意義。例如在DWDM系統,利用一個多波長雷射器可以取代原來多個單波長雷射器同時工作,降低了系統的成本和複雜性。如果在雷射器中提供一種非均勾加寬機制,則腔內就可以形成多個波長同時諧振。目前,光纖雷射器產生多波長有很多方法:

1.利用調製器產生多波長。但是這種方法需要複雜的技術保證每個波長經過調製器時保持各個的相位同步。

2.利用非線性效應產生多波長。在高非線性光纖或者光子晶體光纖中產生四波混頻或者受激布里淵散射。

3.利用非線性偏轉效應產生多波長

4.利用多波長濾波器產生多波長。如級聯光柵,取樣光柵,偏振雙折射光纖,多模光纖,馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer),薩格納克干涉環(Sagnac loop mirror)等。上述技術在摻銀光纖雷射器已經得到了廣泛的套用,而且部分技術己經在摻鐿光纖雷射器中實現了多波長輸出,但是這些多波長光纖雷射器的研究報導基本上是普通脈衝鎖模。基於耗散孤子鎖模的多波長光纖雷射器卻鮮有報導。這主要是因為設計頻寬合適的多通道濾波器較困難,如果濾波器的頻寬小於耗散孤子的光譜,將導致孤子崩塌。同時需要還足夠大的栗浦功率來支持多個波長的耗散孤子的形成。

實驗報導的多波長耗散孤子鎖模雷射器的波長數最多為三個。新加坡南洋理工大學的H. Zhang等人在2009年首次在摻銀光纖雷射器中產生了三波長耗散孤子。上海交通大學的Z. X. Zhang等人在2013年在摻鐿光纖雷射器中產生了雙波長耗散孤子。雙波長耗散孤子光纖雷射器結構圖,其在腔內接入長度為17.1 cm的保偏光纖(PMF),由於保偏光纖快慢軸方向的折射率差,偏振光經過PMF會產生一個固定相位差,PMF等效為一個梳狀譜濾波器,濾波器的仿真透射譜,多通道濾波器的視窗為16.4 nm,通過調整PC可以調整濾波器視窗的位置,但濾波器視窗大小不變。

上述這些新技術的套用,使得脈衝光纖雷射器的研宄逐漸朝著四個方向快速發展:a)光脈衝的能量越來越高;b)光脈衝的寬度越來越窄;C)光?>脈衝的重複頻率越來越高;d)光脈衝的波長數越來越多。

3多波長光纖雷射器的套用及發展

為了進一步提高通信容量,現代光纖WDM通信系統正朝著信道數越來越多的方向發展。最直接提供多路信號的方法就是採用多個單波長雷射器。但如果單純地增加光源數量,勢必會增加成本,因此性能穩定的多波長雷射器更為人們看好。多波長雷射器可以同時為多個信道提供所需光源,使光發射端的設計更為緊湊、經濟,因而在密集波分復用系統中有很重要的用途。同時,性能優良的多波長光源在雷射測距、光譜分析和分布光纖感測等領域中也有極大的套用價值。所以,多波長雷射器的研製無疑具有重要的意義。

多波長摻餌光纖雷射器的研究進展

目前,多波長雷射器多採用多路光柵選頻的半導體雷射器或半導體雷射器陣列來實現,但其工藝複雜,價格昂貴。經過多年的發展,光纖雷射器正日趨成熟,它的出現,為WDM系統提供了一種重要意義的新光源。DWDM通信系統要求多波長光源具有輸出波長密集(通道波長間隔小),頻寬大,線寬窄,功率譜平坦等特性,摻餌光纖雷射器比較適合製作用於DWDM系統的多波長光纖雷射器。

多波長摻餌光纖雷射器的實現形式多種多樣,可對其大致分類如下:

1.直接利用摻餌光纖的增益特性,在諧振腔內插入梳狀濾波器,通過液氮對摻餌光纖進行冷卻來獲得多波長雷射輸出

在此類方法中,基於光纖光柵的Sganac干涉儀、取樣光纖Brgag光柵和Fbayr-perot(F一p)標準具,以及光纖Mach一zehnder(M一z)干涉儀等都可以用作梳狀濾波器。XuewneShu等人將一個FBG非對稱的置於光纖asgnac環形鏡中得到了一種結構簡單的梳狀濾波器,由其構成的光纖雷射器實現了3波長雷射輸出。JongChow等人在環形腔光纖雷射器中用取樣Brgag光柵實現了間隔1.nsm的5波長雷射輸出;他們還用兩個完全相同的光纖惆啾光柵製成寬頻透射F一P濾波器,實現了間隔0.65nm的H波長的雷射輸出。Yamashita5.等人用腔內F一P標準具製成了17波長的雷射器,波長間隔0.8nm。H.L.An等人利用雙通的M一z干涉儀實現了9波長,波長間隔1.6nm的雷射輸出。Namky。。Park等人利用一段保偏光纖進行選頻得到了24個波長的輸出。X.P.Dong等人則利用高雙折射環鏡做梳狀濾波器得到了多波長的雷射輸出。此種方法所面臨的最大問題是摻餌光纖的均勻展寬問題。在常溫下,摻餌光纖的均勻展寬線寬為11.nm。理論和實驗研究表明,當多波長雷射器的輸出波長間隔小於餌光纖的均勻展寬線寬時,不可避免地存在著嚴重的模式競爭和模式跳變問題,從而導致雷射器的輸出頻率特性十分複雜,輸出功率也很不穩定。要提高多波長光纖雷射器的工作性能,使得多個波長的光波能較為穩定地同時振盪,就需要設法削弱這種均勻展寬效應。所以以上方法均採用了77K的液氮對摻餌光纖進行冷卻,使摻餌光纖的均勻展寬降為1nm左右,但這種方法很難實現實用化。

2.在環形腔中引入移頻器或相位調製器實現常溫下穩定的多波長輸出Bellem等人在環形腔中引入移頻器獲得了常溫下穩定的多波長雷射輸出I,由於反饋的光強經過腔內循環一周后被移動到了相鄰的頻率上去,不會造成一個波長上的連續增益放大而飽和,摻餌光纖的均勻展寬被極大地抑制。此後,KejinagZhou等人利用正弦相位調製器取代移頻器,根據傅立葉展開可知,對光強的相位調製同樣可使得光場的頻率發生移動,因而同樣實現了多波長雷射輸出。

NoelMarna等人也分別用此種方法在摻餌光纖雷射器中得到了多波長的雷射輸出。套用這種方法可以很方便地獲得常溫下穩定的多個波長輸出,各波長之間的間隔可控,但具體的波長位置無法精確控制。

3.利用特殊結構的摻餌光纖來獲得常溫下穩定的多波長輸出

Gryadno等人用雙芯摻餌光纖(兩芯間距4.5 m)製成環形腔雷射器,雙芯摻餌光纖由相互平行、間距很小的兩根纖芯組成。由於不同波長的光在兩芯中的禍合周期不同,它們的強度分布也不一樣,所以雙芯摻餌光纖是非均勻展寬介質。設定纖芯的參數和光纖長度,在腔內可以有多個波長的雷射同時振盪,從而在室溫下得到了3波長雷射的輸出,波長間隔為0.8nm。套用這種方法可以獲得常溫下穩定的多個波長輸出,但波長的個數、各波長之間的間隔等不能方便的進行控制,而且需要特殊的製作工藝來獲得特殊結構的摻餌光纖,提高了整個雷射器的成本。

4.利用偏振燒孔效應來削弱不同波長的光對反轉粒子數的競爭,也可以實現常溫下多波長的穩定輸出,這種條件下的多波長光纖雷射器大多具有“開關”特性.

利用各種非線性效應來獲得常溫下穩定的多波長輸出

利用普通單模光纖或色散位移光纖中的布里淵散射(SBS),可在摻餌光纖雷射器中得到穩定的多波長輸出。此類方法中,SBS提供窄頻寬的增益,使布里淵散射波與泵浦波之間存在由光纖中聲速決定的精確的頻移量,在1.5nm波段,其頻移量為10GHz。而EDF提供線性增益來補償諧振腔的損耗,對布里淵信號進行放大,以提高多波長信號的輸出功率。此類多波長光纖雷射器雖然在室溫下就能穩定工作,但是用來產生SBS效應的泵浦源一可調諧DFB雷射器價格昂貴,使整個雷射器的成本居高不下。

另外,利用四波混頻(FWM)這種非線性效應也可獲得穩定的多波長輸出。uxemnigLiu等人將一段高非線性光子晶體光纖插入腔內,利用光子晶體光纖中的FWM效應克服EDF中的模式競爭,並和EDF的增益相結合,在摻餌光纖雷射器中得到了穩定的雙波長輸出。

可開關多波長光纖雷射器的研究進展

這些結構中,不同波長的激射具有相同的泵浦閩值,很難調整或控制某一特定波長的性質。然而,在一些諸如感測、儀器測試的套用中,要求雷射能夠從一波長調到另一波長,或同時輸出多個波長,即雷射器具有可開關性能。這種雷射器需要在多波長光纖雷射器的基礎上加入“開關”特性來有效控制各波長的產生。為滿足此種需求,幾種結構新穎的可關多波長光纖雷射器(MW一FLS)相繼出現。

可開關多波長光纖雷射器在實現多波長的基礎上能夠分別控制各個波長的性質,所以,對應不同波長的雷射輸出應存在某種不同特性,從而可通過調整這種特性達到雷射輸出可開關的目的。依據產生多波長激射的方法,將可開關多波長光纖雷射器基本分為兩類:一是利用不同的腔體產生不同波長的激射;二是利用偏振燒孔效應產生不同波長的激射。

利用不同的腔體來產生不同波長的激射

利用不同的腔體來產生不同波長的激射,可方便地對不同波長的激射分別進行控制。根據是否共用增益介質可分為兩類:利用不同的增益介質形成交疊腔產生不同波長的激射;利用共同增益介質、不同腔體產生不同波長的激射。

(1)利用不同的增益介質形成交疊腔產生不同波長的激射

QingheMoa等人利用三個級聯光纖光柵的交疊腔結構得到了可開關三波長的摻餌光纖雷射器,各種狀態下雷射輸出功率的差異小於1.8dBm。可變光衰減器可以用來調整腔損耗。腔內的增益鉗制效應及模式競爭效應的強度依賴於腔內損耗、EDF的長度以及泵浦情況,所以,腔損耗、EDF的長度經過最佳化後,通過調整泵浦功率的大小,雷射器可工作在任意一個單波長或兩個、三個波長同時激射的狀態。

(2)利用共同增益介質、不同腔體產生不同波長的激射L.Talaverano等人利用此結構得到了可開關四波長的輸出,輸出波長由四個FBGs確定,波長間隔可調。Yz.ux等人則利用同一段增益介質,在兩個交疊F一P腔的情況下,得到了可開關雙波長的雷射輸出,波長間隔在0.35一23.5nm範圍內可調。