基于饱和吸收镜的被动锁模光纤激光器

图 5 二阶自相关曲线 Fig. 5 Second harmonic autoco rrelation t race
图 6 被动锁模光纤激光器输出短脉冲的光谱 Fig. 6 Optical spect rum of mode2locked p ulse
实验中观察到 ,随掺铒光纤放大器的增益增大 , 激光器平均输出功率从500μW增大到8 mW ,输出 能量从88 pJ 增大到1404 pJ 。而且随掺铒光纤放大 器增益增大 ,输出脉宽减小 ,可获得的最小脉宽为 377 f s 。图 6 为输出脉冲的光谱 ,由图中曲线可以看
图 3 锁模输出脉冲序列 Fig. 3 Diagram of mode2locked p ulse t rain
2 期 王 旌 等 : 基于饱和吸收镜的被动锁模光纤激光器
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腔长约为35 m 。 用 Femtochro me 公司的 FR2103XL 二次谐波
自相关仪测量输出脉冲的宽度 。测得的自相关曲线 如图 5 所示 ,脉冲形状为双曲正割型 ,换算后得到脉 冲的半高全宽为422 f s 。图 5 中可以看到脉冲的底 部平坦 ,没有产生子脉冲 ,把自相关仪的一路光挡 住 ,发现示波器上显示的直流基底没有变化 ,说明输 出的脉冲没有直流分量 。
Passively Mode2Locked Fiber Laser with a Semiconductor Saturable Absorber Mirror
WAN G J ing , ZHAN G Ho ng2ming , ZHAN G J un , YAN Meng , YAO Min2yu
( De p a rt ment of Elect ronic En gi neeri n g , Tsi n g hua U ni viersit y , B ei j i n g 100084 , Chi na)
2 半导体可饱和吸收镜的被动锁模光 纤激光器
图 1 为基于半导体可饱和吸收镜的锁模光纤激 光器结构 ,主要由半导体可饱和吸收镜 、掺铒光纤放 大器 ( EDFA) 和光学环形器构成 ,半导体可饱和吸 收镜作为非线性器件 ,由腔内光强控制其透射率 。 掺铒光纤放大器作为增益介质 ,提供环腔振荡所需 的增益 。光学环形器插入腔内构成单向传输的行波 腔 。由于半导体可饱和吸收镜性能与偏振态相关 , 所以腔内插入偏振控制器 ( PC) 控制偏振态 。
图 4 用光电探测器接收脉冲后得到的频谱 Fig. 4 RF spect rum of t he mode2locked p ulse
到输出脉冲的中心波长为1562. 8 nm ,3 dB 带宽为 6. 35 nm ,脉宽和谱宽乘积为0. 329 ,接近双曲正割 脉冲的变换极限0. 315 ,说明输出脉冲的啁啾很小 。 在一般的实验室条件下 ,未采取任何附加措施 ,激光 器可连续稳定工作10 h以上 ,没有出现失锁现象 。
1 引 言
被动锁模光纤激光器由于结构简单 、紧凑 ,能产 生很窄的光脉冲而受到各国科学家们的广泛关注 , 应用范围包括光码分复用 ( OCDMA) 、光 AD 转换 等[1～4] 。已报道的被动锁模光纤激光器结构主要有 以下几种 ,分别是利用加成脉冲锁模 8 字环 、非线性 偏振旋转 、非线性光学环镜和半导体可饱和吸收 体[5～7] 等机制实现被动锁模 。其中基于半导体可饱 和吸收镜 ( SESAM) 的被动锁模与其他方法相比 ,具
图 1 基于半导体可饱和吸收镜的被动锁模光纤环形 激光器结构示意图
Fig. 1 Experimental set up fo r mode2locked fiber ring laser based on a SESAM
图 2 半导体可饱和吸收镜的构成 Fig. 2 St ruct ure of semiconducto r sat urable
Abstract U sing a semico nductor sat urable abso rber mirro r (SESAM) , a passively mode2locked fiber ring laser was demonst rated and stable sub2pico second p ulses were p roduced. The repetition f requency of p ulse t rains was several M Hz. Nearly t ransform2limited 422 f s p ulses wit h spect rum widt h of 6. 35 nm were obtained , wit ho ut any satellite p ulses or pedestal. The duratio n of t he p ulses was measured by an autocorrelato r wit h second harmonic generatio n , and p ulses as narrow as 377 f s were achieved. During 10 hours , t he laser can work stablely. The experimental set up was simple , co mpact , and self2started. Key words laser technique ; passive mode locking ; semiconductor sat urable absorber mirror ; fiber laser
王 旌 , 张洪明 , 张 鋆 , 燕 萌 , 姚敏玉
(清华大学电子工程系 , 北京 100084)
摘要 在普通单模光纤环中插入半导体可饱和吸收镜 ( SESAM) 作为非线性器件 ,实现了自启动的被动锁模光纤 激光器 ,并产生了亚皮秒量级的稳定锁模激光脉冲 。输出锁模脉冲的基频为几兆赫兹 。利用基于倍频晶体的二次 谐波自相关仪测得锁模脉冲的脉宽为422 f s ,最窄时可达377 f s ,利用光谱仪测得脉冲谱宽为6. 35 nm ,脉宽谱宽乘 积为0. 329 ,接近于双曲正割脉冲的变换极限 。实验中激光器输出脉冲稳定 ,没有观察到子脉冲和直流分量 。在一 般的实验室条件下 ,未采取任何附加措施 ,激光器可连续稳定工作10 h以上 ,没有出现失锁现象 。该装置结构简 单 ,紧凑 ,易于调整 ,工作稳定 ,可以很方便地实现自启动锁模 。 关键词 激光技术 ;被动锁模 ;半导体可饱和吸收镜 ;光纤激光器 中图分类号 TN 248. 1 文献标识码 A
饱和吸收体的吸收率 A 依赖于腔内的光强 , 可 表示为
A = A0 / [1 + ( I/ Isat ) ] , 式中 A0 为小信号吸收率 , Isat 为饱和光强 , I 表示腔 内光强 。半导体可饱和吸收镜的饱和吸收率 A sat 由 布拉格反射镜的透射率和量子阱吸收体的饱和吸收 率决定 。实验中所用半导体可饱和吸收镜的饱和吸 收率 A sat = 12 % ,小信号吸收率 A0 = 30 % ,因此 ,其 调制深度为 18 %。
收稿日期 :2006205209 ; 收到修改稿日期 :2006209212 基金项目 :国家自然科学基金 (60477021) 资助项目 。 作者简介 :王 旌 (1983 —) ,男 ,浙江长兴县人 ,硕士研究生 ,主要从事超短脉冲源的研究 。 E2mail : jwang1983 @gmail. co m 导师简介 :姚敏玉 (1946 —) ,女 ,上海人 ,教授 ,博士生导师 ,目前研究方向为超快光子学 、光时分复用和光采样与量化等 。 E2mail :yaomy @mail. t singhua. edu. cn
abso rber mirro r
饱和吸收镜吸收 ;光强增大时 ,吸收体饱和 ,腔内大 部分光能量可以通过吸收体 ,然后被反射回腔内 。 被动锁模激光器就是基于半导体可饱和吸收镜的这 一功能使腔内脉冲相位锁定 ,实现相干叠加 ,并对脉 冲进行压缩 、整形的 。在具有半导体可饱和吸收镜 的锁模光纤环中 ,半导体可饱和吸收镜的饱和吸收 光强小于掺铒光纤放大器的饱和光强 。当腔内光强 增大到与吸收体的饱和光强可比拟 ,但又小于掺铒 光纤放大器的饱和光强时 ,腔内脉冲的中心部分通 过吸收体时 ,吸收率较小 ,通过掺铒光纤放大器时被 放大 ,所以得到不断增长 ,而脉冲底部通过吸收体时 受到较大的吸收损耗而衰减 ,于是脉冲不断变窄 ,频 谱加宽 。
锁模光脉冲的宽度主要由可饱和吸收体的弛豫 时间和掺铒光纤放大器的增益带宽决定 。半导体可 饱和吸收镜的弛豫时间小于10 p s ,最小弛豫时间可 达0. 3 p s 。一般半导体可饱和吸收镜的弛豫时间比 锁模脉冲持续时间长 ,对脉冲后沿不会吸收 。实验 中所用半导体可饱和吸收镜系国外产品 。
实验中所用的半导体可饱和吸收镜是一个将半 导体可饱和吸收体与布拉格反射镜集成的器件 ,其 内部结构如图 2 所示 ,由布拉格反射镜和量子阱吸 收层组成 。
参考文献
1 Peng Can , Yao Minyu , Zhang Hongming et al . . 10 GHz actively
mode2locked fiber ring laser [ J ] . Chi nese J . L asers , 2003 , 30 (2) :101～104 彭 璨 , 姚敏玉 , 张洪明 等. 10 GHz 主动锁模激光器[J ] . 中国 激光 , 2003 , 30 (2) :101～104 2 Yan Meng , Yao Minyu , Zhang Hongming et al . . OCDMA
有结构简单 、紧凑 、稳定可靠等特点 。 半导体可饱和吸收镜 ,又称可饱和布拉格反射
镜 ( SBR) ,是将半导体可饱和吸收体直接生长在布 拉格 (Bragg) 反射镜上的器件 ,1992 年由 U . Keller 等[8] 首次研制成功 ,实现了 Nd∶YL F 自启动的被动 锁模 ,脉宽为3. 3 p s 。国外将半导体可饱和吸收镜用 于固体激光器的被动调 Q 和锁模已有较多报道 ,并 获得了飞秒脉冲[9] 。另外国外也有文献报道把半导 体可饱和吸收镜应用于 1. 55μm 波段光纤激光器 中 ,实现自启动被动锁模 ,得到了 270 f s的脉冲[6] 。