基于PC F实现稳定输出的主动锁模光纤激光器**王芬,陈达如**,秦山,何赛灵(浙江大学光通信联合研究中心,现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心,浙江杭州310058)摘要:提出了一种利用高非线性光子晶体光纤(PCF)来稳定主动锁模光纤激光器的方法,理论分析了激光器中PCF的非线性偏振旋转效应(NPR),阐明了激光器稳定的短脉冲输出机理,获得了重复率为5GHz、脉宽为44 ps的稳定短脉冲输出。
本文建议的激光器能用于如光码分多址(OCDMA)通信系统等诸多领域。
关键词:光子晶体光纤(PCF);非线性;主动锁模;光纤激光器;光码分多址(OCDMA)中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:1005-0086(2007)09-1052-03A ctively Mode-Lock ed S tab ilized Fib er LasersB ased on High ly Nonlinear PC FW ANG Fen,CH EN Da-ru**,QIN Shan,HE Sa-i ling(Center for Optical and Electromagnetic Research,State K ey L abo ratory of M odern Optical Instrumentation,Joint Research Center of Opti cal Communications of Zhejiang U niversity,Zhejiang Uni versi ty,Hangzhou310058,China)A bs tra ct:Actively mode-locked fiber lasers that are stabilized with a highly nonlinear photonic crystal fiber are proposed.T he nonli near polarization rotation effect of the photonic crystal fiber is theoretically analyzed,and the stabilization mechani sm of short pulse lasing is explained.Stable pulse output with a pulse wid th of about44p s and a repetition rate of5GHz is a-chi eved experi mentally.The proposed stable fiber laser can be used in an OCDMA system.Key words:photonic crystal fiber(PCF);nonlinear;actively mode-locked;fiber laser;OCDMA1引言稳定的高重复率的短脉冲光源在光通信、信息光电子和非线性光学等研究领域都有重要的应用价值[1~4]。
特别是光通信领域中,光码分多址(OCDMA)具有高速的光信号处理、软容量及安全可靠等特点,因而将成为高速、大容量光纤通信的最佳可选方案之一,而稳定的高重复率的短脉冲光源的研究则是OCDMA目前亟待解决的关键问题之一[5]。
目前,获得短脉冲的技术主要有锁模光纤激光器、半导体锁模激光器、连续分布反馈(DFB)半导体激光器和增益开关DFB激光器。
其中:后两种技术要直接获得较短脉冲比较困难,往往需要经过复杂的脉冲压缩;半导体激光器虽有容易获得超短脉冲的优点,但存在设备复杂、性能不稳定等缺点。
所以易产生高重复率、高质量脉冲且与全光通信系统兼容性佳的锁模光纤激光器被认为是未来高速光纤通信的首选理想信号源[6]。
Matsas等[7]首次提出非线性偏振旋转效应(NPR)在光纤激光器中的应用,提高了脉冲稳定性,而且系统具有结构简单易实现的优点。
Abedin 等[8]利用具有正色散和负色散的光纤构成环形腔,通过调节各段光纤的长度改变腔内的平均色散值,得到重复频率为220 MH z、脉宽为125fs的短脉冲输出。
在利用光纤非线性效应的实验中要用到较长的单模光纤或色散位移光纤来积累非线性的效果[9],但较长的光纤很容易受到外界环境变化产生的干扰,因此会导致整套系统的稳定性变差。
近来研究较多的高非线性光子晶体光纤(PCF)的非线性系数可达到普通色散位移光纤的10倍乃至更高,相应长度就可以短很多,因而在锁模光纤激光器中采用高非线性PCF有利于改善系统稳定性[10]。
本文首次提出并演示了基于高非线性PCF的主动锁模光纤激光器。
利用高非线性PCF的NPR恰好兼顾了结构简单和稳定性好两方面优点,成功获得了重复率为5GHz、脉宽为44ps的短脉冲。
该光纤激光器具有结构简单易实现、调整方便且光脉冲的稳定性好等优点,可以作为OCDMA通信系统的信号源。
2原理主动锁模光纤激光器主要是采取谐波锁模的方法。
在谐波锁模情况下,加在调制器上的射频(RF)和驱动信号频率f m 等于激光器谐振腔基频f c的整数倍,即有f m=mf c(m为整数)。
此时,主动锁模光纤激光器内的脉冲每次经过调制器时都获得最大的透过率,从而不断被压窄并形成锁模光脉冲。
谐波锁模情况下腔模并不是与其相邻的纵模锁定在一起,而是与其相邻N个腔模间隔的模锁定在一起,每组相互锁定的模式称为/超模0。
激光器中存在许多组超模,超模间的竞争及驰豫光电子#激光第18卷第9期2007年9月Journal of O p toelectronics#Laser Vo l.18No.9Sep.2007*收稿日期:2006-08-28修订日期:2007-03-03*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60277018,60407011);浙江省人才基金资助项目(R10415)**E-m ail:daru@振荡会造成光脉冲抖动,称之为短期不稳定性[11]。
为解决短期不稳定性问题,实验采用了高非线性PCF,获得了稳定的脉冲输出。
图1是在光纤激光器中利用高非线性PCF的NPB获得稳定的短脉冲输出的原理示意图,由高非线性PCF、起偏器和偏振控制器(PC)等组成的非线性自稳幅装置结构(只考虑PCF的NPR),利用PCF的NPR作用,能使腔内运转的高幅度脉冲损耗大、低幅度脉冲损耗小,从而起到脉冲的稳定和均衡作用。
图1NPR的传输路径Fig.1The transm issio n path of NPR图1中,A1为输入信号电矢量方向与PCF快轴x方向的夹角,A2为起偏器和PCF快轴x方向的夹角,2个角度均能通过几个PC来分别进行调节。
所示结构的传输透射率为[12]T=cos2A1cos2A2+sin2A1sin2A2+12sin2A1sin2A2cos($5L+$5NL)(1)$5L=(n y-n x)B L(2)$5NL =-C PL3cos A2(3)其中:L是PCF的长度;n x、n y是相应2个方向的折射率;B= 2P/K;C是光纤的非线性系数;P是输入信号的瞬时功率。
从公式可以很清楚看出,传输透射率和脉冲瞬时功率间有一余弦关系。
而A1和A2的值不仅对这个余弦项的振幅和相位有影响,对周期也起很大的决定作用。
所以只要通过偏振控制器调节这两个角度到一合适值,这个结构便可等效为可饱和吸收体,经过它时高幅度脉冲损耗大、低幅度脉冲损耗小。
3实验装置建立的实验装置如图2所示。
掺铒光纤(EDF)的长度为4 m;泵浦光由最大输出功率为250mW的1480nm激光器提供; RF调制器使用Agile nt型号为E8257D的模拟信号发生器,频率可调范围为250kHz~20Ghz;观察光谱及脉冲序列分别采用Agilent公司的86142B光谱分析仪和D CA86100A眼图仪;耦合器的分束比为98B2;PC1、PC2、PC3、偏振分束器(PBS)、隔离器和耦合器等器件的尾纤均为单模光纤,总长约为17m;且PBS、PC和PCF共同构成原理中提到的非线性自稳幅装置。
PCF的长度为25?0.5m(根据总腔长可得激光器的纵模间隔频率约为5MH z),1550nm处的非线性系数约为11(W# km)-1,PCF的色散在1480~1620nm的宽光谱范围内比较平坦(<1.5ps/nm/km),图3为所用的PCF的色散曲线以及截面微结构图。
图2主动锁模光纤激光器的实验装置F ig.2Experim ental setup of the a ctivelymode-locked fiber laser图3PC F的(a)色散曲线和(b)截面微结构图F ig.3D ispersion slope(a)and m icroscopic pictureof the cros-s section(b)of the P CF4实验结果与讨论在实验中,对比了利用NPB前后的脉冲序列波形。
根据图2的实验装置,先去掉PC器件及PCF,确保激光器中没有NPR产生(忽略普通单模光纤引起的非线性效应);将外加调制信号频率设为5.056451GH z;调节1480nm LD泵浦功率到18dBm时将2%的输出结果分别送入光谱仪和眼图仪,获得无NPR时的脉冲序列,结果如图4示。
由于脉冲的不稳定性,各个时刻脉冲幅值不一致,使得合成的轮廓图顶部噪声明显,而顶部噪声越明显说明越不稳定;然后在装置中加入PC以及PCF(即如图2的实验装置),调节调制频率为5.000589GH z,调整LD泵浦功率到23dBm时获得有NPR的激光器输出脉冲序列和频谱如图5和图6示。
由图4中脉冲噪声明显的结#1053#第9期王芬等:基于PCF实现稳定输出的主动锁模光纤激光器果(脉冲轮廓顶部模糊)和图5中的脉冲几乎无明显噪声的结果(脉冲轮廓清晰)对比可以很清楚看到PCF 的NPR 所带来的脉冲稳定效果(脉宽为44ps)。
实验结果表明,必须很好地调节PC 才能获得稳定的脉冲输出,否则脉冲输出将类似于图4所示,甚至没有脉冲输出。
图4 无PC F 时的脉冲序列图Fig .4 W avefo rm of the pulses output from the actively m ode -locked fiber las er w ithout a PCF图5 有PC F 时的脉冲序列图Fig .5 W avefo rm of the pulses output from the a ctively m ode -lo cked fiber laser with a PCF图6 有PC F 时的输出频谱图Fig .6 O utput spectrum fro m the activ ely mo de -locked fiber laser with a PC F5 结 论基于NPR,首次提出并演示了结合高非线性PCF 的主动锁模光纤激光器,获得了稳定的重复率为5GHz 、脉宽为44ps 的短脉冲序列输出,并分析了激光器稳定输出的原理。