傅里叶域锁模光纤激光器的实验研究#

30
35
40
1 实验装置及工作原理
基金项目：国家自然科学基金（No 61077030）；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（No 20104401120009） 作者简介：张爱琴（1988-），女，硕士研究生，主要研究方向：光纤激光器及相关应用 通信联系人：冯新焕（1974-），女，教授，主要研究方向：光纤激光器及其应用，光信号处理，微波光子 学. E-mail: tfengxh@jnu.edu.cn
DSF Isolator SOA
55
90%
Coupler1 10% Coupler2 30% 70% PD OSA
FFP-TF
SSC
Oscilloscope
60
图 1 实验装置示意图 Figure 1 The experimental setup
65
70
75
图 1 中蓝色部分是激光器输出特性的测试部分，激光器的输出经过一个耦合器 （coupler2） ，分成两部分，30%输入光谱仪（OSA:Optical Spectrum Analyzer）进行光谱的观 测和分析， 70% 的光通过光电探测器（ PD:Photodetector ）转换成电信号后接到示波器 （Oscilloscope）上进行波形的观测和分析。 实验中， 在激光器谐振腔内加入几公里的光纤作为延迟线， 可以减小腔基频 fcavity 到 kHz 数量级， 使其在ＦＰ滤波器的机械响应频率范围之内， 从而能够实现可调谐滤波器的调谐频 率 fdrive 与激光器腔基频 fcavity 相等，进而达到傅里叶域锁模的目的。这样，每个波长在腔内 循环一周再次到达滤波器时，刚好滤波器调谐到这个波长可以通过的位置。因此，每个波长 在新的扫描周期无需重新由 ASE 建立激光振荡，而是以上一个周期的此波长作为“种子”形 成激光输出。这样，扫频速度不再像原来短腔激光器那样受限于激光振荡建立的时间，而只 受限于滤波器的调谐速度。所以尽管激光器腔长变长了，扫描的速度却大大增加。 该傅里叶域锁模光纤激光器的输出特性主要受到 FP 滤波器工作特性的影响，而 FP 滤 波器的工作特性又由扫描控制源（SSC：Swept Source Controller）输出的正弦信号控制，正 弦信号的三个主要要素是 Vamp（扫描幅度）、f （扫描频率）、Vbias（直流偏置）。直流偏 置主要是控制滤波器的扫描中心波长； 扫描幅度不仅影响激光器的波长扫描范围， 同时其大
20
25
0 前言
傅里叶域锁模技术（ Fourier Domain Mode Locking, FDML）是R.Huber等人于2006年提 出的一种全新的扫频激光振荡机制[1]。傅里叶域锁模可看作是激光器第三类稳态运行模式， 具有丰富的物理内涵和很多独特的性质。 基于傅里叶域锁模技术的光纤激光器具有高扫描速 度、宽扫描范围、窄瞬时线宽等独特的特点，是光学相干层析成像（ Optical Coherence Tomography, OCT)的理想光源，对提高光学相干层析成像的性能起到了关键作用。此外，傅 里叶域锁模光纤激光器在光谱学、光纤通信系统以及光纤传感等领域也有潜在的应用[2-6]。 傅里叶域锁模光纤激光器技术主要是针对OCT应用而提出的[7-11]，后来有人将其应用扩 展到光纤传感等领域[12-15]。 已报道的文献均主要集中在其应用方面， 很少有关于傅里叶域锁 模光纤激光器本身的研究工作。 事实上， 傅里叶域锁模技术作为一种具有丰富物理内涵的新 兴技术，具有很大的发展和应用潜力，对其运行机制、内在机理及输出特性进行深入细致的 研究，不仅具有一定应用价值，而且也具有非常重要的科学意义。 本文主要对傅里叶域锁模光纤激光器进行了深入的实验研究， 基于丰富的实验结果对其 输出特性进行了分析，重点分析了激光腔内 Fabry-Perot 滤波器的工作状态以及频率偏移对 激光器输出特性的影响， 为透彻理解傅里叶域锁模光纤激光器运行机制以及其性能优化提供 了有效依据。 文章首先介绍了本实验中傅里叶域锁模光纤激光器的实验装置及工作原理， 然 后是实验结果及对其输出特性的分析与讨论，并得出一些结论，最后对全文进行了总结。
-1-
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
45
50
傅里叶域锁模光纤激光器的实验装置示意图如图 1 所示，由半导体光放大器（SOA： Semiconductor Optical Amplifier） 、 光隔离器 （Isolator） 、 色散位移光纤 （DCF： Dispersion Shifted Fiber） 、Fabry-Perot 宽带可调谐滤波器(FFP-TF:Fiber Fabry-Perot Tunable Filter)以及输出光 耦合器 (coupler1) 组成。 SOA （ SOA-S-OEC-1550 ）作为激光器增益介质，其工作波段为 1550nm，3dB 增益谱宽约 60nm, 饱和输出功率为 8dBm，偏振敏感度小于 2.5dB。光隔离器 可保证光的单向传输，避免反射光影响 SOA 的工作性能。为了降低激光器的腔基频使其在 压电陶瓷的响应频率范围内，在腔内引入了 4.689 km 的色散位移光纤。采用色散位移光纤 而不是普通单模光纤的原因是降低腔内色散，从而使不同波长的光具有基本相同的腔基频。 实验中所用的 Fabry-Perot 宽带可调谐滤波器是 MCRON OPTICS 公司生产的，其自由光谱 范围约 200nm。进入输出耦合器的光 90%返回腔内，10%的光作为激光输出。 可调谐滤波器由扫描源控制器（SSC：Swept Source Controller) 控制，SSC 输出的正弦 信号可表示为：V(t) Vamp sin ( 2πft) Vbias ，其中：Vamp 为正弦波幅度、f 为扫描频率、 Vbias 为直流偏置。通过正弦信号驱动可调谐滤波器上的压电陶瓷，可以达到波长周期性扫描 的效果。 通过调节驱动频率， 使可调谐滤波器的扫描频率与激光器腔基频相等或是腔基频的 整倍数，即可达到傅里叶域锁模状态。而通过调整三个参数中的任意一个，可调谐滤波器的 工作状态都会发生改变，从而激光器的输出特性也会随之改变。
10
15
The Experienced Study of Fourier domain mode locked (FDML) fiber laser
Zhang Aiqin, Feng Xinhuan
(Institute of Photonics Technology, Jinan University, Guangzhou, 510632, China) Abstract: In this paper ,we mainly experimentally investigate the Fourier domain mode-locked fiber laser. On the basis of the experimental results, we analyze the effect of frequency offset and the working state of Fabry-Perot filter on the characteristics of FDML fiber laser. The analysis provide an effective basis for intensive understanding of the operation mechanism and its performance optimization. Key words: Fourier domain mode locked (FDML); Fiber laser; Experimental investigation
2 实验结果及分析
首先通过激光器腔长估算出腔基频的大小，激光器腔长大约为 4.74km，其对应的腔基 频大约为 43.04kHz，在该频率附近调节 FP 滤波器的扫描频率，当滤波器的调制信号的频率 为 43.041kHz 时，激光器达到锁模状态。图 2 是在滤波器驱动信号的直流偏置 Vbias=18V、 扫描频率 f=43.041kHz 保持不变，而扫描范围取不同值时，傅里叶域锁模光纤激光器的输出 光谱和及其对应的输出脉冲序列。当 Vamp=100mV 的情况下，由图 2（a）可知其输出光谱为 从 1523.0nm 到 1567.0nm 共 44nm 的波长范围，该波长范围内边带抑制比在 17.79dB 以上； 图 2（b）可知其输出的瞬时强度呈现脉冲分布，周期为 23.23s，转换为频率正好与激光器 的扫描频率 43.041kHz 相等。当 Vamp=300mV 时，由图 2（c）可知，该激光器的波长扫描范 围从 1503.9nm 到 1608.1nm 共 104.2nm，该波长范围内边模抑制比在 16.49dB 以上；由图 2 （d）可知其输出的瞬时强度分布，同样在时域上其激光是脉冲分布，其周期跟图 2（b）相 同，只是脉冲有分裂成两个脉冲的趋势。随着滤波器驱动正弦信号扫描幅度的继续增加，当 Vamp=500mV 时，如图 2（e）所示，其波长扫描范围从 1503.6nm 到 1635.6nm，总扫描范围 增加到 132.0nm，边模抑制比降到 11.81dB；如图 2（f）所示，其输出的瞬时强度分布在时 间上还是脉冲分布，但之前的一个脉冲已经完全分裂成了两个脉冲。
95
图2
Time[μs]
Vbias=18V， f=43.041kHz 情况下，（a），(b) Vamp=100mV；（c），（d）Vamp=300mV，以及（e）， （f）Vamp=500mV 时激光器的输出光谱和对应的脉冲序列。 For Vbias=18V， f=43.041kHz，the output spectra and the corresponding pulse train of the FDML fiber laser when ( a ),( b ) Vamp=100mV; ( c ),( d ) Vamp=300mV; and ( e ),( f ) Vamp=500mV.
Time[μs]
1.0
Output Power[dBm]
-20 -30 -40 -50 -60 -70
(ห้องสมุดไป่ตู้)
(d)
Intensity[A.U.]
1500 1550 1600 1650
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-80 1450
wavelength[nm]
Output Power[dBm]
-20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 1450 1500 1550 1600 1650 1.0
85
90
(a)
Intensity[A.U.]
(b)
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
wavelength[nm]
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
傅里叶域锁模光纤激光器的实验研究#
张爱琴，冯新焕**
5 （暨南大学光子技术研究所，广州，510632） 摘要： 本文主要是对傅里叶锁模光纤激光器进行实验研究， 重点研究了激光腔内 Fabry-Perot 滤波器的工作状态对激光器输出性能的影响， 本实验得出调节滤波器驱动信号的直流偏置可 以调节激光器的中心波长， 调节扫描幅度的大小可以调节激光器波长扫描范围在几个 nm 到 一百多个 nm 之间变化；同时还研究了频偏对激光器输出性能的影响，正频偏主要影响光脉 冲的后沿，负频偏主要影响光脉冲的前沿。 关键词：傅里叶锁模；光纤激光器；实验研究 中图分类号：TN248
-2-
中国科技论文在线
http://www.paper.edu.cn
小也会影响到激光器输出光脉冲的前向扫描和后向扫描能否分离开； 而扫描频率是否跟腔基 频匹配将直接关系到该激光器能否达到傅里叶域锁模。 本实验主要是研究驱动信号扫描幅度 和扫描频率对激光器输出性能的影响，以及探索激光器三次谐波锁模时的输出性能。 80
Time[μs]
1.0
Output Power[dBm]
-20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 1450 1500 1550 1600 1650
(e)
(f)
Intensity[A.U.]
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
wavelength[nm]