2 μm可调谐高重复频率主动锁模光纤激光器

1 引言

锁模光纤激光器具有脉宽窄、重复频率高、调谐性好、抗干扰能力强、易于集成等优点，随着集成光纤器件及掺杂光纤的工艺提升，1.55 μm及1 μm传统波段光纤激光器已不能完全满足实际应用需求，以掺铥光纤、铥钬共掺光纤、掺钬光纤等作为增益介质的光纤激光器工作在2 μm波段，同时覆盖了大气的高透过率窗口和高吸收窗口，因此2 μm光纤激光器在雷达、遥感、自由空间光通信等领域具有较好的应用前景^[1]。但目前相较于1.55 μm和1 μm锁模光纤激光器，2 μm锁模光纤激光器在重复频率、脉宽、调谐范围等方面参数仍相差较远，这受限于2 μm波段光纤强色散及2 μm光纤器件制作工艺难度大等问题。主动锁模光纤激光器的优势在于可实现超高的重复频率且重频、波形可控，这使其在大容量高速光通信^[2]、宽带信号处理^[3-4]、高速光频梳产生^[5]等领域具有重要的应用价值。已经报道的2 μm锁模激光器多为被动锁模，主要集中在新型饱和吸收体、不同波形及脉冲状态产生等方面^[6-9]。目前，主动锁模光纤激光器的研究多集中在1.55 μm及1 μm波段^[10-11]，关于2 μm主动锁模的报道较少。2013年，王雄等报道了全光纤结构的主动锁模掺铥光纤激光器，实现了11.884 MHz及12.099 MHz重复频率的锁模脉冲激光^[12-13]。2015年，Kneis等报道了一种波长可调谐，高平均功率输出的主动锁模掺铥光纤激光器^[14]。2016年，Wang报道了一种泵浦调制的主动锁模掺铥光纤激光器^[15]。可见目前，实现GHz量级重频的2 μm锁模脉冲仍具有一定困难。

本文在环形腔铥钬共掺光纤激光器结构中，采用电光强度调制的方式，通过引入可调谐光滤波器，实现了稳定的2 μm波段高重复频率主动锁模脉冲激光输出，重复频率可达2.2 GHz，对应649阶谐波锁模脉冲序列，脉冲宽度约为200 ps，频谱信噪比可达68 dB，激光光谱调谐范围为1907 nm~1927 nm。

2 实验结构与工作原理

2 μm主动锁模铥钬共掺光纤激光器结构如图 1所示，激光器采用全光纤环形腔结构，增益介质选取为一段4 m长单模铥钬共掺光纤(INO TH550)。泵浦源由1570 nm半导体激光器和一个铒镱共掺光纤放大器(erbium-ytterbium-doped fiber amplifier, EYDFA)，泵浦源的稳定性是影响主动锁模激光稳定性的重要因素，因此1570 nm信号源选取为Tektronix公司的窄线宽、高稳定性半导体激光器(OM2210)，信号光通过商用化低噪声铒镱共掺光纤放大器放大，最大输出功率为1 W，调制器为实验室自研的2 μm波段电光强度调制器(electro-optical modulator，EOM)，其带宽为10 GHz，微波源为正弦信号发生器(Hittite HMC-T2220)，其输出信号频率范围为10 MHz~20 GHz，最大输出功率为30 dBm，无需外置微波放大器可直接驱动EOM。采用2 μm波段窄带宽可调光滤波器(agilrron FOTF)限制光谱带宽并实现波长调谐，其滤波带宽约为1 nm，偏振无关光隔离器(isolator，ISO)保证谐振腔内激光单向运转，1×2光耦合器(optical coupler，OC)的90%端提供腔内反馈，10%端口作为输出测试端，输出脉冲激光由10 GHz带宽的2 μm波段光电探测器探测，脉冲信号由(agilent, DSO-X 93204A)高速示波器观测，其带宽为32 GHz，射频信号由频谱分析仪(agilent, N9030A)同步观测，其频率范围为3 Hz~44 GHz，光谱由光谱分析仪(YOKOGAWA, AQ6375)观测，最小分辨率为0.05 nm。

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主动锁模调制方式采用高速强度调制，其原理如图 2所示，采用外部正弦射频信号加载到EOM，从而在腔内形成与调制频率相同的正弦状态的光损耗调制，当调制频率f_m与谐振腔纵模间隔(1/T_R)相同时，其中T_R为时域上的脉冲间隔，腔内可饱和增益只会在调制损耗最小值附近产生净增益，产生重复频率为谐振腔基频的超短脉冲^[16]。当调制器上加载的射频信号频率为基频的整数倍，同样可产生重复频率与激光器调制频率相同的锁模脉冲，此时激光器工作在谐波锁模状态。

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3 结果与讨论

实验中，谐振腔总长度为30.4 m，根据环形腔纵模间隔1/T_R=c/2nl，其中n为光纤折射率，l为谐振腔总腔长，可计算主动锁模激光器基频为3.39 MHz。由于信号源输出正弦信号的最小频率为10 MHz，无法得到基频锁模脉冲激光。将泵浦光功率固定在1 W，调制信号频率至20.351 MHz，同时调谐调制信号功率及调制器上的偏置电压，可得到稳定的锁模脉冲激光输出，此时激光器工作在6阶谐波锁模状态，如图 3(a)所示，在200 ns的时域范围内，脉冲峰值强度波动较小且相邻脉冲间无明显的超模产生。继续增加调制信号频率至251.165 MHz和2200 MHz，分别对应74阶和649阶谐波锁模状态，得到对应锁模脉冲序列如图 3(b)、图 3(c)所示，可以看到激光器工作在更高阶谐波锁模状态时，脉冲峰值仍没有明显的功率抖动。对比图 3(a)和图 3(b)~3(c)中的插图可以看出，随着重复频率增加，锁模脉冲宽度由3 ns减小至200 ps，可以得出结论，高阶谐波锁模可以有效地减小锁模脉冲宽度。

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为进一步说明主动锁模工作状态及噪声环境，图 4(a)~4(c)分别给出了重复频率为20.351 MHz、251.165 MHz和2200 MHz时同步观测的脉冲信号频谱。此时频谱仪分辨率为3 Hz，频域扫描范围为10 kHz。可以看出，三种不同的谐波锁模状态的频谱均具有较高的信噪比，分别为77 dB、71 dB、68 dB，且在各自扫描范围内没有边模产生，说明高重复频率主动锁模脉冲工作在较低的噪声环境中。

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主动锁模脉冲单波长激光光谱如图 5(a)所示，此时激光峰值波长为1915.9 nm，3 dB线宽约为0.05 nm，边模抑制比为49 dB，输出激光线宽与边模抑制比主要由滤波器滤波带宽及滤波深度决定。窄带宽滤波器限制主动锁模激光线宽，可有效地抑制主动锁模脉冲的超模噪声，是可以得到稳定的GHz量级锁模脉冲的最重要因素。另一方面，由于THDF的增益谱范围可达1800 nm~2000 nm，窄带滤波器的引入造成了大量的能量损耗，这也很大程度增加了主动锁模激光的阈值。因此，在滤波器的选取过程中，应协同考虑滤波带宽及阈值的问题。调谐滤波器的峰值波长，可实现波长可调谐主动锁模激光输出，可调谐光谱如图 5(b)所示，波长调谐范围为1907 nm~1927 nm，在此波长范围外，激光器工作在连续运转状态，主动锁模激光调谐范围可通过增加泵浦功率进一步优化。

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4 总结

实验研究了一种2 μm高重复频率主动锁模光纤激光器，通过在环形腔中加载电光强度调制，实现了2.2 GHz重复频率的锁模脉冲激光输出。分别分析了20 MHz、251 MHz、2.2 GHz重复频率状态下高阶谐波锁模的时域及频域特性。在200 ns的时域范围内，输出脉冲序列峰值较平坦，对应频谱信噪比分别为77 MHz、71 MHz、68 MHz。实验结果表明高重复频率脉冲具有较好的稳定性，这受益于窄带的光谱滤波效应及稳定的泵浦结构。通过调谐滤波器中心波长，输出激光可调谐范围为1907 nm~1927 nm。

光电工程 2018, Vol. 45 Issue (10): 170662 DOI: 10.12086/oee.2018.170662

Citation

Ma W Z, Wang T S, Wang F R, et al. Tunable high repetition rate actively mode-locked fiber laser at 2 μm[J]. Opto-Electronic Engineering, 2018, 45(10), 170662

Tunable high repetition rate actively mode-locked fiber laser at 2 μm

Ma Wanzhuo^1,2, Wang Tianshu^1,2, Wang Furen^1,3, Wang Chengbo², Zhang Jing^1,3, Jiang Huilin^1,2

1. National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology, Changchun University of Science and Technology, Changchun, Jilin 130022, China;

2. College of Opto-Electronic Engineering, Changchun University of Science...