偏振複用雙梳全光纖鎖模激光器

專(zhuan) 家視點

鎖模光纖激光器可以同時產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 異步超短脈衝(chong) 序列，作為(wei) 低複雜度雙梳計量應用的替代光源，具有很好的應用前景。在此，趙欣等人研究了一個(ge) 具有有限內(nei) 腔雙折射的偏振多路複用被動鎖模光纖激光器的激光特性。通過在非保偏單模腔中引入一段保偏光纖，研究人員獲得了具有近似正交偏振態的雙異步脈衝(chong) 。脈衝(chong) 重複頻率差達數百赫茲(zi) ，光譜重疊良好，具有典型的偏振鎖定矢量孤子特征。研究表明，無論是在反常色散還是正常色散情況下，都可以得到重複率差較小的雙矢量孤子或雙耗散矢量孤子。這種偏振複用的單腔雙梳激光器可以應用在需要簡單的雙梳係統解決(jue) 方案中。該工作發表在 Photonics Research 上。

Xin Zhao, Ting Li, Ya Liu, Qian Li and Zheng Zheng, Polarization-multiplexed, dual-comb all-fiber mode-locked laser, Photonics Research 6(9): 853-857 (2018).

兩(liang) 個(ge) 梳齒間距略有不同的光學頻率梳可以實現雙梳計量應用，如高分辨率光譜學和測距。由於(yu) 基於(yu) 兩(liang) 個(ge) 頻率穩定的超快激光器的傳(chuan) 統實現被認為(wei) 過於(yu) 複雜或具有技術挑戰性，因此，在過去幾年中，簡化此類係統的努力得到了加強。使用兩(liang) 個(ge) 自由運行的鎖模激光器，數字相位校正算法或自適應采樣數據采集係統可以補償(chang) 它們(men) 的重複頻率漂移。研究發現，共用一個(ge) 光學參量振蕩器腔對兩(liang) 個(ge) 自由運行的種子激光器脈衝(chong) 進行波長轉換，可以減少兩(liang) 個(ge) 腔內(nei) 的隨機漂移，從(cong) 而提高雙梳譜測量性能。在同一芯片上製作並工作的兩(liang) 個(ge) 鎖模波導激光器或非線性微諧振器的輸出被證明具有足夠的相互相幹性，適用於(yu) 某些具有大梳齒間距的雙梳應用。通過設置不同調製頻率，將連續波激光下的兩(liang) 個(ge) 電光梳進行非線性光譜加寬，應用於(yu) 光譜測量。雖然可以靈活選擇中心波長和梳齒間距，但它們(men) 的梳齒間距和光譜帶寬之間可能存在折衷。

然而，直接從(cong) 一個(ge) 種子腔而不是兩(liang) 個(ge) 種子腔產(chan) 生雙梳脈衝(chong) 似乎是一種有吸引力和有希望的方法，因為(wei) 脈衝(chong) 之間可能有更高程度的相互相幹。在各種激光平台上實現這種單腔雙梳光源的興(xing) 趣越來越濃厚。利用雙波長、雙向激光或非線性脈衝(chong) 整形機製，幾種從(cong) 模型鎖定光纖激光器產(chan) 生異步超短脈衝(chong) 的方案已經被證明。在雙向振蕩的鈦藍寶石激光器和雙向泵浦的微諧振器中也實現了雙梳脈衝(chong) 的產(chan) 生。通過使用雙折射晶體(ti) 在半導體(ti) 圓盤激光器的腔內(nei) 空間分離光束路徑，實現了正交偏振雙梳的產(chan) 生。這種具有異步脈衝(chong) 發射的單腔雙梳光源作為(wei) 簡單的、可替代的雙梳源，已經在多個(ge) 雙梳應用中展示了其潛力。其中，複雜性低、能量效率高的光纖激光器梳齒間距相對較小，光譜覆蓋潛力較大。

除了上述的雙梳光纖激光器方案外，偏振多路複用輸出的激光源還可以在相同的光譜窗口內(nei) 產(chan) 生正交偏振態的雙脈衝(chong) 。與(yu) 目前主要研究的雙梳應用的雙波長單腔雙梳源相比，它的輸出可以是光譜相幹的，沒有固有的帶寬限製。由於(yu) 保偏光纖激光器發出的光隻有一個(ge) 偏振，人們(men) 對由標準單模光纖組成的傳(chuan) 統鎖模光纖激光器產(chan) 生的脈衝(chong) 的偏振狀態進行了大量的研究。研究表明，在具有弱腔內(nei) 雙折射（由腔內(nei) 殘餘(yu) 光纖/分量雙折射引入）的光纖激光器中，在反常淨腔色散和正常淨腔色散下分別可以產(chan) 生矢量孤子和耗散矢量孤子。此外，研究人員還觀測到多個(ge) 偏振正交的矢量孤子的同步振蕩，可能是由於(yu) 激光的空間增益燒空效應造成的。

實驗裝置

與(yu) 傳(chuan) 統的標準單模光纖激光器或保偏光纖激光器相比，研究人員采用部分雙折射設計。圖1所示的雙梳鎖模激光器的設置包括一個(ge) 全光纖環形結構，脈衝(chong) 將在腔內(nei) 通過完全共徑路徑傳(chuan) 播而不是部分共享路徑。為(wei) 了實現雙梳激光，研究人員在環形中放置一段保偏光纖（長度為(wei) 0.30 m，拍長約為(wei) 4 m），這將引入一些有限但相當大的雙折射，導致不同偏振狀態的脈衝(chong) 具有顯著的群速度差異，對同時形成多個(ge) 異步矢量孤子起著至關(guan) 重要的作用。其餘(yu) 部分由0.38 m長的摻鉺光纖（Fibercore Er110）組成，由一個(ge) 980 nm泵浦二極管通過波分複用器向前泵浦，在激光腔中有一個(ge) 0.31 m長的Hi-1060尾纖。采用偏振無關(guan) 隔離器和偏振控製器分別保證單向運行和控製偏振演化。利用光學沉積法製備的單壁碳納米管飽和吸收體(ti) 實現了鎖模。雙梳由光耦合器耦合出激光器。對於(yu) 激光輸出的偏振分辨測量，在偏振控製器之後使用偏振分束器將光分成兩(liang) 臂，分別表示為(wei) Pol-1和Pol-2。偏振控製器用於(yu) 調整輸出的偏振狀態與(yu) 偏振分束器軸的對齊。

為(wei) 了研究不同色散狀態下的雙梳產(chan) 生，研究人員對淨色散進行調整。當腔內(nei) 單模光纖總長度為(wei) 3.64 m時，淨腔群速度色散約為(wei) -0.084 ps 2 。其中，摻鉺光纖、Hi-1060、保偏光纖和單模光纖在1550 nm處的群速度色散參數分別為(wei) 12.2、-7.0、-23.8和-21.7 p m 2 /km。淨負群速度色散會(hui) 導致孤子運轉。通過添加一段2.09 m長色散補償(chang) 光纖（群速度色散為(wei) 48.5 p m 2 /km）和0.24 m單模光纖尾纖，淨腔群速度色散可移至 0.013 ps 2 ，從(cong) 而產(chan) 生耗散孤子。

圖1 偏振複用雙梳光纖激光器原理圖。

雙梳全光纖鎖模激光器

當激光器在反常淨群速度色散下工作時，激光器在69 mW泵功率時開始自模鎖定。當泵浦功率增加到91 mW後，通過適當調整腔內(nei) 偏振態，可以在示波器（Agilent MSO 7054A）上觀察到附加的脈衝(chong) 序列。圖2(a)顯示了當激光輸出由光電探測器直接測量時的示波器截圖。在100 μs的時間窗口內(nei) ，兩(liang) 端放大波形中的脈衝(chong) 對之間的時間間隔變化超過1 ns。這表明脈衝(chong) 的重複率略有不同。

圖2 當激光器在雙矢量孤子狀態下工作時，雙脈衝(chong) 的（a）脈衝(chong) 序列（b）光譜（c）頻譜（d）兩(liang) 個(ge) 偏振的脈衝(chong) 序列以及（e）自相關(guan) 跡。

實驗中，激光輸出的光譜仍然呈現矢量孤子中常見的雙峰孤子形狀，如圖2(b)所示。用光電探測器和頻譜儀(yi) （Agilent E4404B）測量時，在44.1 MHz左右可以觀測到44.102951 MHz和44.103377 MHz的兩(liang) 個(ge) 頻率分量，與(yu) 腔長度相對應，如圖2(c)所示。當腔內(nei) 沒有保偏光纖時，研究人員沒有觀察到這種異步脈衝(chong) 激光。為(wei) 了進一步表征激光輸出，它被外部偏振分束器分成兩(liang) 部分。通過在偏振分束器前調整偏振控製器，使Pol-1低頻重複頻率的射頻信號最大，可以看到高頻信號相應被抑製20 dB以上，但沒有被消除。在此條件下，Pol-2端口觀測到的射頻信號的其他頻率最大，如圖2(c)所示。這表明兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 序列可以有接近正交的偏振態，盡管它們(men) 都不是線偏振態。從(cong) 示波器得到的脈衝(chong) 序列的時間形狀，如圖2(d)所示。它們(men) 的振幅均勻，脈間調製可以忽略不計。這表明這兩(liang) 個(ge) 脈衝(chong) 都可能是偏振鎖定的矢量孤子。

在Pol-1和Pol-2測得的光譜，如圖2(b)所示。可以觀察到，除了一些小的光譜特征外，它們(men) 的光譜形狀非常相似。Pol-1和Pol-2的中心波長分別為(wei) 1558.9和1558.7 nm左右，相差約0.2 nm。它們(men) 的3 dB帶寬也很相似，分別為(wei) 3.2 nm和3.4 nm，輸出功率分別為(wei) 635 μW和490 μW。由於(yu) 不同場分量之間的相幹能量交換，在光譜中存在峰/穀對，例如，在1570 nm左右的形狀不同的峰/穀對，是矢量孤子的典型特征。雙脈衝(chong) 的自相關(guan) 跡也由自製的自相關(guan) 器測量，如圖2(e)所示。如果假設脈衝(chong) 形狀為(wei) sech 2 ，則它們(men) 的3-dB脈衝(chong) 寬度分別為(wei) 約804 fs和713 fs。考慮到光譜帶寬，激光工作在雙矢量孤子狀態，產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 偏振幾乎正交的異步矢量孤子序列。

此外，通過調整腔內(nei) 偏振控製器，可改變重複頻率差。圖3顯示了重複頻率差從(cong) 228 Hz調諧到773 Hz時的射頻和光譜。考慮到隔離器等元件引入的雙折射的存在，重複頻率差的調諧主要是由於(yu) 腔內(nei) 複合雙折射的變化造成的。這也可以看作是光譜上兩(liang) 個(ge) 側(ce) 峰的位置相應移動。值得注意的是，當偏振控製器調整到更低的重複頻率差時，雙梳激光將停止，隻留下一個(ge) 脈衝(chong) 序列振蕩。

圖3 重複頻率差變化時的（a）頻譜和（b）光譜。

對於(yu) 許多潛在的雙梳應用來說，在重複頻率差異中保持良好穩定性的能力是至關(guan) 重要的。圖4顯示了監控的重複率及其差異。在這種情況下，重複頻率差的頻率為(wei) 578 Hz。然而，自由運行的激光脈衝(chong) 重複頻率明顯如預期的那樣漂移，重複頻率差保持穩定，均方根僅(jin) 為(wei) 38 mHz。

圖4 監測激光輸出的重複頻率及其差。

當采用色散補償(chang) 光纖使激光器的淨色散變為(wei) 正及泵浦功率設置在 73 mW以上時，也可以產(chan) 生兩(liang) 個(ge) 異步脈衝(chong) 串。圖5（a）所示的雙梳輸出的頻譜現在具有典型的耗散孤子的形狀。Pol-1和Pol-2的帶寬分別為(wei) 5 nm和4.1 nm。根據圖5(b)和圖5(c)，它們(men) 顯示出相似的極化和時間特征。由於(yu) 腔長增加，重複頻率分別為(wei) 29.445086 MHz和29.445341 MHz，重複頻率差為(wei) 255 Hz。像許多其他的耗散孤子激光器一樣，不可能直接測量它們(men) 在激光輸出時的自相關(guan) 。通過130 m和180 m標準單模光纖傳(chuan) 輸後，壓縮後分別得到1 ps和1.3 ps的自相關(guan) 跡（假設sech2形狀）[圖5(d)]。這顯示了激光脈衝(chong) 的強啁啾。因此，該光纖激光器實現了偏振複用、雙耗散矢量孤子的產(chan) 生。

圖5 在雙耗散矢量孤子狀態下，脈衝(chong) 的光譜（a）頻譜（b）脈衝(chong) 序列（c）和自相關(guan) 跡（壓縮後）（d）。

綜上所述，研究人員提出並實現了偏振多路單腔雙梳源可以通過具有不可忽略雙折射的鎖模光纖激光器實現，可以觀察到大約幾百赫茲(zi) 的相對較小的重複頻率差異，可以動態調整。研究表明，在不同色散狀態下，可以產(chan) 生具有相同光譜窗口的不同光帶寬和脈衝(chong) 寬度的雙梳脈衝(chong) ，通過腔內(nei) 色散設計可以進一步探索直接產(chan) 生帶寬進一步增大的雙梳脈衝(chong) 。由於(yu) 它與(yu) 廣泛研究的光纖環形激光器相似，這種簡單且易於(yu) 實現的激光配置可以進一步應用於(yu) 雙梳應用。

研究人員簡介