被动锁模光纤激光器的研究进展

图 ４ 非线性偏振旋转被动锁模原理示意图
３ 被动锁模光纤激光器最新进展
３．１ 双包层光纤激光器 双包层光纤激光器是目前激光领域比较活跃的
研 究 方 向 之 一［９￣１２］。与 常 规 光 纤 相 比 ， 双 包 层 光 纤 在 纤 芯和包层之间多了一个可以传输抽运光的内包层， 从 而 具 有 双 包 层 导 区 。Ｍ． Ｈｏｆｅｒ 等［１３］首 次 实 现 了 侧 面 抽 运双包层光纤激光器的被动锁模 （如图 ５ 所示）， 实 现被动锁模的方案是非线性偏振旋转效应， 精确微 调 ｌ／４， ｌ／２ 波 片 ， 以 控 制 光 的 偏 振 状 态 ， 当 ｌ／４， ｌ／２ 波 片恰好处在某一角度时可实现被动锁模高功率脉冲 输 出 。 他 们 用 １ Ｗ 抽 运 功 率 得 到 了 重 复 频 率 ３０ ＭＨｚ， 平 均 功 率 ５０ ＭＷ， 脉 冲 宽 ３ ｐｓ 的 稳 定 脉 冲 。 之 后 ， 双 包 层 光 纤 激 光 器 不 断 向 高 平 均 功 率 、高 峰 值 功 率 、超 短 脉 冲 锁 模 光 纤 激 光 器 方 向 发 展 ， 锁 模 方 法 也 越来越丰富， 特别是出现了全光纤的被动锁模法， 而 且现在又研制成了多包层掺杂光子晶体光纤， 这为光
在低强度情况下， 当光子经过可饱和吸收体时被 吸收， 结果一个电子跃迁到了高能级态， 很快这个电 子就经过非辐射跃迁过程回到基态， 这样吸收体又可 以吸收其他光子。在高强度极限下， 可以想象为很多 光子同时入射， 虽然一部分光子被吸收， 但它们有效 地抽运并饱和了吸收介质， 因此其他入射光子可以无 吸收地通过吸收介质。这样就实现了阻止低强度光、 通 过 高 强 度 光 的 饱 和 吸 收 作 用 。光 纤 激 光 器 中 常 用 的 可 饱 和 吸 收 材 料 是 半 导 体 吸 收 介 质（ 如 ＩｎＧａＡｓＰ 等） ， 可 以 采 用 单 层 或 多 层 量 子 阱 结 构 制 成 。半 导 体 可 饱 和 吸 收 镜 （ＳＥＳＡＭ） 是 半 导 体 可 饱 和 吸 收 体 和 反 射 镜 的 结合， 一般使用半导体布拉格层对构成底部反射镜， 顶部采用高反射介电膜层或直接使用空气层作为反 射界面， 可饱和吸收体夹在中间。可饱和吸收体利用 其自身的相应恢复时间作为时间选通门来对激光脉 冲进行时间上的整形， 对于脉冲中能量较低的部分完 全吸收， 引入损耗机制； 当脉冲中能量较高的部分通
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ ｆｉｂ ｅｒ ｌａｓ ｅｒ； ｆｉｂ ｅｒ ｏｐ ｔｉｃｓ； ｐ ａｓ ｓ ｉｖｅ ｍｏｄ ｅ－ ｌｏｃｋｉｎｇ 中图分类号 ＴＮ２４２
１ 引言
光纤激光器不仅广泛运用于光通信领域（如用于 波 分 复 用 （ＷＤＭ） 系 统 的 多 波 长 光 纤 激 光 器 和 时 分 复 用（ＯＴＤＭ） 的 超 高 速 锁 模 光 纤 脉 冲 激 光 器） ， 而 且 在 超 快 光 学 、光 纤 传 感 、工 业 加 工 、光 信 息 处 理 、全 色 显 示 、 激 光 制 导 、激 光 印 刷 、医 疗 等 领 域 都 具 有 广 阔 而 重 要 的应用。在光纤激光器中， 锁模光纤激光器不但可以 为光纤通信系统提供兼容的超短脉冲源， 且在光纤传 感和锁模基础研究方面也有着重要的作用， 已引起人 们的极大兴趣 ［１，２］。锁 模 分 为 主 动 锁 模 和 被 动 锁 模 ， 主 动锁模现在主要利用铌酸锂波导调制器来迫使激光 器 的 腔 频 相 位 同 步 ， 从 而 产 生 超 短 脉 冲［３］。主 动 锁 模 能 保证比较稳定的高重复频率， 但是受到调制带宽的限 制， 其输出脉冲宽度通常为皮秒量级， 并且还容易受 到 外 界 环 境 （ 如 温 度 变 化 、机 械 振 动 等 ） 、谐 振 腔 内 偏 振 态 起 伏 、超 模 噪 声 等 因 素 的 影 响 ， 需 要 很 多 复 杂 的
Ｌ激光与光电子学进展 ａｓｅｒ ＆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ
被动锁模光纤激光器的研究进展
Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ Ｐ ａ ｓ ｓ ｉｖ ｅ ｌｙ Ｍｏ ｄ ｅ －Ｌｏ ｃ ｋ ｅ ｄ Ｆ ｉｂ ｅ ｒ Ｌａ ｓ ｅ ｒ
钟义晖 张祖兴 陶向阳
如 图 ３ 所 示 ， ＮＯＬＭ 与 ＮＡＬＭ 不 同 的 是 没 有 放 大 器， 它是采用非对称的耦合器， 或者环路中采用不同 色散的光纤， 如单模光纤和色散位移光纤组成， 这样 通过自相位调制作用， 同样能产生强度相关的透射函 数 。最 近 ＮＯＬＭ 采 用 了 对 称 的 ３ ｄＢ 耦 合 器 和 弱 双 折 射光纤， 通过非线性偏振旋转效应也同样能实现锁模［８］。 ＮＡＬＭ 和 ＮＯＬＭ 都 能 产 生 强 度 相 关 的 透 射 函 数 ， 作 用 与快速可饱和吸收体类似， 而且其响应速度可达飞秒 量 级 。如 果 调 节 到 使 脉 冲 的 中 央 较 强 部 分 的 相 移 接 近 ｐ， 则脉冲的这部分能量被透射， 而边沿部分由于其功
Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎ ｉ ｃｓ， Ｊ ｉ ａｎ ｇｘｉ Ｎｏｒ ｍ ａｌ Ｕｎ ｉ ｖｅｒ ｓｉ ｔｙ， Ｎａｎ ｃｈａｎ ｇ， Ｊ ｉ ａｎ ｇｘｉ ３３００２２， Ｃｈｉ ｎ ａ
摘要 关键词
被 动 锁模 光 纤 激光 器 以 其结 构 简 单和 紧 凑 而 倍 受 关 注 ， 是 未 来 时 分 复 用（ＯＴＤＭ） 光 通 信 系 统 、光 传 感 和 光 探测等的理想光源。介绍了当前被动锁模光纤激光器的研究进展， 分析了其工作原理、锁模方法、特点及关 键技术， 最后对其应用前景作了展望。 光纤激光器； 光纤光学； 被动锁模
过， 达到可饱和吸收体的饱和吸收阈值时， 可饱和吸 收体在强光的作用下吸收饱和被漂白而变得透明， 这 样使得后续部分得以在漂白恢复时间内无损耗地通 过； 而当可饱和吸收体达到响应恢复时间， 重新恢复 吸收特性后， 新的可饱和吸收过程便再次重新开始。 另外， 还可以把半导体激光放大器用作可饱和吸收 体， 但要求它工作时的偏置电流必须低于阈值。这种 方法产生的脉冲宽度一般为皮秒和飞秒级， 它虽然具 有 脉 宽 窄 、结 构 简 单 、紧 凑 、成 本 低 、锁 模 稳 定 、调 整 简 单 等 优 点 ， 但 是 这 种 激 光 器 不 是 全 光 纤 结 构［６］。 ２．２ 附加脉冲锁模
技术来提高系统的稳定性。此外， 铌酸锂波导调制器 的引入不仅导致了腔体的附加损耗， 而且还引入了一 个 非 光 纤 元 器 件 ， 难 以 实 现 全 光 纤 集 成 。因 此 ， 主 动 锁 模光纤激光器技术难度大， 成本相对较高。
目前被动锁模的主要方法包括腔内插入半导体 可饱和吸收体、非线性光纤环镜以及非线性偏振旋 转 效 应 作 等 效 可 饱 和 吸 收 体 附 加 脉 冲 锁 模 ［４］。随 着 脉冲的窄化， 峰值强度增大， 可饱和吸收体的作用进 一步加强， 被动锁模光纤激光器比主动锁模光纤激 光 器 能 产 生 更 短 的 脉 冲［５］。另 外 ， 由 于 其 不 需 要 任 何 外界的有源调制器件， 因此其腔体结构不仅更加简 单 ， 而 且 还 可 以 实 现 全 光 纤 集 成 。本 文 介 绍 了 目 前 主 要的几种被动锁模方法， 归纳了被动锁模光纤激光 器最新研究进展， 分析了它们的工作原理， 锁模方 法 、特 点 及 关 键 技 术 ， 最 后 对 被 动 锁 模 光 纤 激 光 器 应 用前景作了展望。
附 加 脉 冲 锁 模 是 利 用 非 线 性 放 大 环 镜（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ Ｌｏｏｐ Ｍｉｒｒｏｒ ， ＮＡＬＭ） 或 非 线 性 光 纤 环 镜 （Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｏｏｐ Ｍｉｒｒｏｒ ， ＮＯＬＭ） 作 等 效 可 饱 和 吸 收 体 ［７］。ＮＯＬＭ 环 和 ＮＡＬＭ 环 （ 如 图 ２ 和 图 ３） 的 基 本 结 构 都 是 Ｓａｇｎａｃ 干 涉 仪 ， 这 种 结 构 具 有 全 光 纤 特 性 。 如 图 ２ 所 示 ， ＮＡＬＭ 是 将 一 个 放 大 器 非 对 称 地 置于耦合器的一侧， 这样进入耦合器的光被分成两个 传播方向相反的光束， 其中一路光刚进入环路即被放 大， 另一路则在离开环路时被放大， 由于自相位调制 的 作 用 这 两 列 相 反 方 向 传 播 的 光 在 ＮＡＬＭ 内 往 返 一 次后获得了不同的非线性相移， 而且相位差不是一个 常 数 ， 而 是 随 脉 冲 的 色 散 形 状 变 化 。 这 样 ＮＡＬＭ 就 具 有了类似饱和吸收体那样的强度相关的透射函数。
被动锁模光纤激光器腔体结构简单， 可以实现全 光纤集成， 是产生超短脉冲的一种非常行之有效的方 法 ， 而 非 线 性 偏 振 旋 转 又 是 其 中 最 重 要 、最 简 单 的 被 动锁模方法。从概念上理解， 非线性偏振旋转其锁模 机 制 与“８”字 形 激 光 器 相 同 ， 这 里 只 是 用 同 一 脉 冲 的 两 个 正 交 分 量 代 替 反 向 传 输 的 两 列 波 。从 实 用 的 角 度 看， 这种方法可以用一个具有单个光纤环形腔的光纤 激光器来实现， 结构非常简单。其基本原理如图 ４ 所 示。假设初始脉冲是线偏振态， 通过一个四分之一波 片后变为椭圆偏振态， 而椭圆偏振光可以认为是强度 不 同 的 左 旋 和 右 旋 圆 偏 振 光 两 个 偏 振 分 量 的 叠 加 ［４］。 这两圆偏振分量在光纤中传输时由于受光纤的非线 性效应作用 （包括自相位调制和交叉相位调制） 会产 生大小不同的非线性相移， 从而使脉冲偏振态发生变 化， 且沿整个脉冲的偏振态变化不是均匀的， 脉冲峰 值 处 偏 振 态 旋 转 大 于 两 翼 处 。调 节 光 纤 输 出 端 半 波 片 的取向， 使得脉冲中央的高强度部分能透过其后的起 偏器， 而两翼的低强度部分被阻止， 就形成了等效的 可饱和吸收体， 脉冲取得了压缩。
图 １ 可饱和吸收体锁模物理机制示意图
图 ２ 非线性放大环形镜示意图 中国光学期刊网： ｗ ｗ ｗ ． ｏｐｔｉｃｓ ｊｏｕｒｎａｌ ． ｎｅ ｔ ４７