1主動鎖模光纖雷射器
主動鎖模光纖雷射器主要是指在雷射腔內插入主動的調製器件(例如LINbO3調製器)或外界有相關脈衝注入,利用這些主動因素對雷射腔內光波進行第I部分NPR被動鎖模摻餌光纖雷射器的研究調製來實現鎖模,現在普遍使用的是M-Z型LINbO3波導電光調製器。除利用LINbO3電光調製器進行主動鎖模外,近幾年,人們又研製出幾種不需要電光調製器的主動鎖模雷射器,主要有:基於半導體雷射器的主動鎖模光纖雷射器和注入型主動鎖模光纖雷射器。
基於調製器的主動鎖模光纖雷射器
典型的主動鎖模光纖雷射器,它是一個環形腔結構,摻餌光纖放大器(Erbium一D叩edFiberAmPlifier,EDFA)提供腔內的增益。腔內主動的鎖模器件是一個高速LINb03調製器(Medulator),它對光波的調製方式有兩種:一種是振幅調製(損耗調製);另一種是相位調製。調製器在正弦電壓信號驅動下產生周期性的損耗或是周期性的相位變化,這種周期性的變化與腔內循環的脈衝相互作用導致了鎖模脈衝序列的產生。由於LINbO3調製器是偏振敏感元件,所以常在調製器前安置一個偏振控制器(PolarizationCo咖ller,PC)來調節入射到調製器的光場偏振態。可調諧濾波器(TunableFilter,TF)的作用是調節雷射的中心波長。光隔離器(Isolator,150)被用來確保主動鎖模摻餌光纖環形腔雷射器處於單向運轉,它也可消除某些光學元件上產生的反射波帶給調製器的不利影響。延遲線可精確調節腔長使其與調製頻率相匹配,並可有效的抑制超模噪聲。腔內運行的鎖模脈衝經光纖禍合器輸出。直接調製的主動鎖模光纖雷射器輸出脈衝的重複頻率能夠達到40GHz。利用有理數諧波鎖模技術,主動鎖模光纖雷射器輸出脈衝的重複頻率可以達到80-200GHz。
用半導體雷射器作調製器的主動鎖模光纖雷射器
基於半導體雷射器的主動鎖模光纖雷射器是利用工作在閉值以下的半導體雷射器取代調製器。半導體雷射器通過環行器插入環形腔內,在RF信號驅動下,雷射器的載流子密度發生周期性變化,從而折射率被調製,對環形腔內的振盪光場起到了強度調製器的作用,使各個縱模被鎖定。1999年,香港中文大學K.T.Chan的研究小組用2.SGHz的驅動頻率獲得了ZOGHz的8階有理數諧波鎖模脈衝1521。2000年,他們的工作又取得了新的進展,獲得了10GHz的諧波鎖模脈衝,脈衝的超模噪聲低而且功率很穩定。
2注入型主動鎖模光纖雷射器
注入型主動鎖模光纖雷射器主要是在全光通信系統中被用來提取時鐘脈衝。注入型主動鎖模光纖雷射器有兩種。第一種是利用行波半導體光放大器的非線性增益調製特性實現主動鎖模。TW-SOA在注入光脈衝的作用下產生交叉增益飽和(eXchangeGainsaturation,XGS)效應或交叉相位調製(eXchangephasemodulation,XPM)效應,使環形腔內的光波受到周期性的相位和振幅調製,因而實現鎖模。在這裡,半導體光放大器既是增益介質,又起到了調製器的作用。
1999年,H.Avramopoulos的研究小組報導了用IOGHz注入脈衝產生的ZOG去腸鎖模脈衝,雷射波長在16nm範圍內可調1541。2000年,他們又報導了能同時輸出10個波長鎖模脈衝的注入型主動鎖模光纖雷射器,脈衝重複頻率為30GHz,脈寬為7Ps。在當年的OFc會議上,他們研製的鎖模光纖雷射器的性能提高到重複頻率40GHz,調諧範圍20nmI第二種注入型主動鎖模是利用光纖的交叉相位調製效應進行主動鎖模。工作原理是用腔內的一段單模光纖作為一個相位調製器,當向腔內注入波長為布的光脈衝序列時,該波長的光與光纖環形腔中波長為凡的信號光相互作用,形成交叉相位調製,由此對信號光凡產生周期性的相位調製,從而實現雷射器的主動鎖模。目前,利用這種結構已成功地從40Gb/s的信號脈衝中提取光時鐘。
3主動鎖模光纖雷射器國內外研究進展
世界上首台鎖模雷射器就是利用聲光調製實現的主動鎖模,1964年,Bell實驗室的Hargrove,Fork和Pollack利用聲光調製實現He-Ne雷射器腔內模式的鎖定,產生基頻鎖模的光脈衝tw。但是這種He-Ne氣體雷射器體積龐大,此後,隨著英國南安普頓大學引領的增益光纖的快速發展,雷射器變得更加小型化。1988年,德國TUHH的Geister和Urich實現首台基於相位調製的主動鎖模光纖雷射器產生了重複頻率29MHz,脈衝寬度90ps的鎖模脈衝序列,脈衝能量大於15pJ。1989年,南安普頓大學的Hanna等人首次實現基於Yb:Er光纖的相位調製主動鎖模產生脈衝寬度為70ps,中也波長1560nm,重複頻率200MHz。同年,美國光譜物理公司(Spectra-Physics)的Kafka,Baer和康寧公司(Coming)的Hall共同實現了首台基於強度調製的環形腔主動鎖模光纖雷射戳"I,並證明了孤子脈衝整形在主動鎖模脈衝形成過程中起到決定性作用,雷射器輸出脈衝4ps,中屯、波長1530nm。1991年,南安普頓大學的LinKntong首次在光纖雷射器中同時實現調Q和自鎖模fwi,輸出重複頻率25MHz,脈衝寬度600ps的脈衝序列。由於主動鎖模輸出脈衝的優異性能,強速得到眾多研究者的關注,下面分別介紹基於強度調製和相位調製的主動鎖模光纖雷射器的發展情況。(1)基於強度調製的商速超短脈衝產生1990年,NTT公司的Takada和Miyazawa利用15GHz射頻信號調製雷射器內強度調製器,採用諧波鎖模的形式實現30GHz重複頻率的脈衝序列脈衝接近變換極限,脈寬為7.6ps,光譜寬度0.5nm。日本NTT傳輸系統實驗室的Takara實現更高重複頻率的光脈衝脈衝寬度5ps,脈衝重複頻率20GHz。1993年,Alcatel公司的Pfeiffer和Vei利用全保偏主動鎖模光纖雷射器產生重複頻率40GHz,脈寬邸S的鎖模脈衝序列,調節腔內光濾波器可將中波長移動43nm,這是當時重複頻率最高的可調諧主動鎖模光纖雷射器心。1994年,日本學者Nakazawa利用強度調製器首次實現再生鎖模,將雷射器拍頻的諧波信號利用高速PD進行探測,再反饋調製強度調製器,輸出10GHz孤子脈衝序列,脈衝寬度達到2.7ps,並且利用全保偏結構增強雷射器的穩定性。1W5年,Nakazawa研究組進一步發展了再生鎖懊氣利用高Q值(Q約1000)的20GHz電濾波器,雷射器輸出重複頻率20GHz,脈衝寬度的脈衝序列,結合色散漸減的接巧光纖放大器,脈衝可腔外壓縮至172fs。1996年,Ahmed和Onodera首次在主動鎖模光纖雷射器內實現有理數諧波鎖模I2氣採用大約7GHz的調製頻率,調製頻率與基頻諧波的頻率不同,通過合理的調節這兩個頻率之間的差,得到重複頻率為7GHz、14GHz和21G此的鎖模脈衝序列。但是,這種鎖模方式產生的脈衝脈衝串幅度不均衡、抖動大、穩定性較差。同年,Nakazawa研究組的Yoshida利用有理數諧波鎖模的技術,利用40GHz射頻驅動信號實現重複頻率高達200GHz的脈衝序列美國海軍研究實驗室(NRL)研究組利用sigma腔光纖雷射器隔離偏振態擾動引起的不穩定P3I,結合lOGHz驅動的馬赫曾德爾強度調製器實現1.3ps的脈衝串。
1999年,Nakazawa研究姐利用強度調製再生鎖模實現重複頻率40GH/,脈衝寬度化9ps,波長調諧範圍30nm的孤子脈衝序列,並採用鎖相環技術控制雷射器腔長抖動PW。2006年,美國中弗羅里達大學的Deify謝研究組利用低相噪微波源實現了脈衝抖動4.6fs的低噪聲主動鎖懊氣2010年,該組鎖相環控制射頻驅動信號的方式,實現脈衝抖動2.2fs,重複頻率lOGHz的主動鎖模,這是當時相位噪聲最低的自穩定主動鎖模雷射器PS1。
(2)基於相位調製的高速超短脈衝產生
1990年,英國電信研究實驗室的Smi化等人利用相位調製實現了當時最窄的主動鎖模脈衝,脈寬為1.2ps,實驗結果證明脈衝形成為孤子整形。1991年,英國斯特拉斯克萊德大學的Davey等人,精確控制腔內色散的條件下,利用相位調製主動鎖模直接輸化脈寬900fs,重複頻率480MHz的孤子序列。
1992年,英國BlLaboratories的Shan等人利用相位調製器在基頻2MHz的腔內實現重複頻率2GHz、脈寬22ps的脈衝序列,並首次利用PZT結合反饋環路控制腔長,增強雷射器長期穩定性。
1996年,Nakazawa研巧組首次實現基於相位調製的再生鎖模,輸出脈寬重複頻率l0GHz的接近變換極限的鎖模脈衝。並且對比了利用強度謂制實現再生鎖模的結果,結果顯示強度調製產生脈衝寬度窄於相位調製PSi。
1998年,日本通信研巧實驗室的Abedin等人提出利用深度相位調製的方式,並且結合高精細度F-P濾波器選擇相位調製產生的部分高階邊帶,實現"高階相位鎖模",輸出調製頻率整數倍的脈衝序列口31。在1999年至2001年之間,Abedin用多個實驗發展了高階相位鎖模,實驗產生800fs變換極限脈衝序列,重複頻率達到154GHz。但是,這種方式產生需要腔內插入自由光譜範圍巧SR)等於調製頻率諧波的高精細度F-P濾波器,並且需要精確對準。2000年,美國NUT的Yu和Haus等人利用相位調製再生鎖模實現脈寬小於500fs,重頻為IGHz的鎖模脈衝序列,並利用非線性展寬產生大於300nm的高重頻超。同年,Nakazawa研究姐利用相位調製實現重複頻率40GHz,脈衝寬度850fs的主動鎖模。
2004年,加拿大渥太華大學的Yang利用相位調製實現重複頻率40GHz,脈衝寬度l.:37ps的主動鎖模。國內同樣有需要研究組進行主動鎖模光纖雷射器的研究,然而國內研究較晚並且開創性的工作相對較少。1995年,清華大學的Lou Caiyun等人實現了脈寬24ps,重複頻率為5GHz的主動鎖模[W3。2003年,胡智勇等人搭建了複合腔的主動鎖模光纖雷射器,驗證了基於符合腔的超模噪聲抑制技術W。同年,清華大學彭巧等人利用強度調製器結合SOA實現脈寬lOGHz,譜寬0.4nm的孤子脈衝序列。2006年,清華大學Pan Shilong等人利用髙非線性光纖和窄帶F-P濾波器抑制腔內增益競爭,實現70波長的同時激射,脈衝重複頻率25GH。
除了利用調製器外,在不需要調製器的腔內同樣可實現主動鎖模,包括:半導體主動鎖模光纖雷射器呵日注入型鎖模光纖雷射器利用半導體光放大器(SOA)作為增益介質和調製器的主動鎖模光纖雷射器也可實現短脈衝源,在RF信號驅動下,半導體載流子密度發生周期性變化,從而折射率被調製形成對光場強度調製的作用。但是SOA的低飽和功率、離噪聲係數和非線性效應使產生的脈衝光信噪比低,功率小同時具有較大的時間抖動和較低的重複頻率。注入型鎖模是將腔外的髙速脈衝注入到帶有增益的腔內,通過使SOA的增益被調製,產生交叉增益飽和效化從而實現腔內模式鎖定。這裡SOA同樣既是放大器件也是調製器件。利巧光纖的交叉相位調製(XPM)效應同樣可實現注入型鎖模口。此外,利用髙電壓直接調製光纖產生的聲光調製效應同樣可實現主動鎖模光纖雷射器。
4主動鎖模光巧雷射器的套用
主動鎖模光纖雷射器產生20多年來,因其輸出高速、超短脈衝的特性而被廣泛套用,下面簡要介紹近幾年研究火熱的套用
(1)高譜效率大容量光通信
基於Nyquist脈衝的大容量光通信系統具有非常髙的譜效率,Nyquist脈衝在不引起碼間干涉的條件下可減小頻寬,並且具有抵禦離階色散和偏振模色散的能力。用相干NyquistOTDM的傳輸方案可賊現單信道1.92Tbit/s,譜效率達到7.5bit/s/Hz。2014年,Nakazawa研究組成功實現奈奎斯特雷射器(Nyquist laser),利用再生鎖模的結構產生Nyquist脈衝序列,相比於傳統的CW調製方式,Nyquist雷射器產生的脈衝序列具有更高的OSNR,是未來光通信系統優秀的光源。
(2)超寬頻信號處理
主動鎖模可產生頻域間隔為10GHz的多載波光源,對不同波長的脈衝信號分別進行調製,利用相干合成可W產生任意波形的脈衝信號,實現光任意波形產生 (OAWG)。美國UCLA的Jalali研究組利用鎖模雷射器作為脈衝源,利用坡長-時間映射實現超寬頻的任意波形,該方案有能力產坐具有任意幅度、任意相位的毫米波。
