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第37 卷第 2期
2008 年2月 光 子 学 报
ACTA P HO TONICA SINICA Vol. 37 No. 2
February 2008
3国家自然科学基金 (60577019)和山西省留学回国人员科
研基金(2004217)资助
Tel :035126014447 Email :office2science @tyut . edu . cn
收稿日期:2006209211
8字形腔波长可调谐锁模脉冲光纤激光器3
郭雄英1 ,2 ,杨玲珍1,贺虎成1,曹玲1,王云才1
(1太原理工大学 理学院物理系 ,太原 030024)
(2新疆大学 物理系 ,乌鲁木齐 830046)
摘 要:采用非线性光纤环形镜加脉冲锁模技术及可调谐光纤光栅滤波器 ,对8字形腔被动锁模掺
铒光纤激光器进行了波长可调谐输出的实验研究1在EDFA 抽运光功率一定的情况下 ,通过调节
偏振控制器和可调谐光纤光栅滤波器 ,获得了光谱稳定、重复频率 1. 1 M Hz、输出功率起伏小于
0. 8 dBm、中心波长在 1 548~1 570 nm 内连续可调的短脉冲输出.该激光器可实现自启动锁模 ,且
长时间稳定工作无需任何调整1
关键词:激光技术;光纤激光器;8 字形腔;非线性光纤环形镜;波长调谐
中图分类号: TN248 文献标识码:A 文章编号 :100424213(2008)022021224
0 引言
利用加成脉冲锁模技术实现的锁模光纤激光
器,具有结构简单、稳定性好、易于自启动的特点.在
实现全光纤结构的同时 ,可以不受载流子恢复时间
限制获得飞秒量级的超短脉冲[124 ] ,可广泛应用于光
纤通信、医学、物理学以及光化学等领域 1其中 ,基
于非线性光纤环形镜加成脉冲锁模技术的光纤激光
器(8字形腔激光器),由于非线性光纤环形镜具有
与强度相关的透射特性 ,可以像可饱和吸收体一样
窄化脉冲 ,使得锁模激光器输出脉冲较窄、工作稳
定、背景噪声低且可以在很宽的波长范围内进行调
谐1而波长可调的超短脉冲光源是高速波分复用/
光时分复用通信系统中的关键器件之一 ,因此近年
来对基于非线性光纤环形镜的可调谐被动锁模光纤
激光器的报道层出不穷1
1993 年,Noske D U 等人用腔内 F2P滤波器实
现频域稳定 ,同时用反馈环路技术实现时域稳定 ,在
8字形腔铒镱共掺被动锁模激光器中获得了光谱带
宽1. 8 nm ,中心波长在 20 nm 范围内连续可调的锁
模脉冲输出[5]11997 年,Tsun T O 等人在 8字形被
动锁模掺铒光纤激光器内放置一段较长的色散位移
光纤得到了脉宽 125 fs ,能量 0. 5 nJ 的高能量飞秒
脉冲 ,中心波长在 6. 5 nm 范围内可调[ 6 ] 12000 年,
Jeon M Y 等人在 8字形被动锁模掺铒光纤激光器
中插入声光可调滤波器 ,得到了光谱带宽约 7 nm ,
调谐范围 50 nm 的可调谐光纤激光器[7] 12005 年,
我国的马海全等人采用非线性光纤环形镜被动锁模
的掺 Yb3 + 光纤激光器 ,获得了中心波长在 1 030~
1 081 nm范围内连续调谐的锁模脉冲输出 ,在中心
波长 1 053 nm 时,测得光谱带宽 6 nm、脉冲宽度
234 p s、重复频率 3. 8 M Hz[8 ]1然而 ,利用上述方法
实现的波长可调谐锁模脉冲光纤激光器 ,其共同特
点是输出光谱较宽1
本文采用非线性光纤环形镜作为被动锁模器
件,窄线宽的光纤光栅滤波器作为波长调谐器件 ,实
现了被动锁模掺铒光纤激光器的波长可调谐输出 ,
利用偏振控制器和偏振相关光隔离器构成的强度均
衡器[ 9210] ,实现了各波长光脉冲间的强度均衡 ,获得
了输出功率平坦、波长从 1 548 nm 到1 570 nm 连
续可调的锁模脉冲序列 ,从而为其它科学研究工作
提供了中心波长可调谐的窄线宽短脉冲源1
1 实验装置及原理
8字形腔波长可调谐锁模脉冲掺铒光纤激光器
的实验装置如图 1 ,该激光器由 150 m 长的普通单
模光纤(Single Mode Fiber ,SMF)、掺铒光纤放大器
(Erbium2Doped Fiber2Amplifier ,EDFA)、光纤偏振
控制器 (Polarizatio n Cont roler , PC )、光环形 器
图1 波长可调谐锁模脉冲光纤激光器实验装置
Fig. 1 Experimental setup of wavelength tunable
mode2locked pulse fiber laser
2期 郭雄英 ,等:8 字形腔波长可调谐锁模脉冲光纤激光器
(Circulator)、可调谐光纤光栅滤波器(Tunable
Fiber Bragg Grating , TFBG)、偏振相关光隔离器
(Polarization Dependent Isolator ,PDI)和光纤耦合
器(Optical Coupler ,OC)构成1实验采用的掺铒光
纤放大器 (武汉邮电科学 研究所 EDFA2BA )在
1 530~1 565 nm范围内增益平坦度小于 0. 1 dB ,
EDFA1 为锁模激光腔内提供增益 , EDFA2 对锁模
脉冲进行腔外放大;反射型可调谐光纤光栅滤波器
的调谐范围为 32 nm ,其3 dB 带宽小于 0. 35 nm1
该激光器的振荡腔结构与传统的 8字形腔略有不
同,仅用一个偏振控制器 PC1 对腔内参量进行调
节,这样减小了腔内的插入损耗 ,使自启动变得更容
易;用功率分光比为 99 ∶1的耦合器 OC2 代替掺杂
光纤 ,非对称地放置在环镜中用来打破环镜的对称
性1其工作原理为:初始光脉冲 (由噪声引起)从
3 dB耦合器 OC1 的一端进入环镜后 ,被分成相向传
输、等强度的两束光.这两束光先后受到由耦合器
OC2 引起的损耗 ,因而在环镜中传输时具有不同的
光强.由于光纤的非线性 Kerr 效应 ,相向传输的两
束光在普通单模光纤中传输时 ,将受到与强度相关
的自相位调制和交叉相位调制等非线性效应的作
用,产生不同的非线性相移 ,形成非线性相移差 ,且
相向传输两束光之间所获非线性相移差在光脉冲峰
值处最大.当光脉冲峰值处所获非线性相移差等于
π时,经由 3 dB 耦合器输出时发生干涉相长 ,而脉
冲的前后两翼由于其强度较低 ,所获非线性相移较
小,发生干涉相消 ,从而产生自幅度调制的脉冲窄化
效应.光脉冲在激光腔内往复运转 ,便可形成稳定的
锁模脉冲 ,最后经由 90 ∶10 耦合器 OC3 输入到
EDFA2 中进行再放大.采用可调谐光纤光栅滤波器
对放大后的锁模脉冲进行波长选择 ,从而实现锁模
脉冲光纤激光器的可调谐输出1
该激光器实现功率平坦输出的关键器件是偏振
相关光隔离器和偏振控制器 PC21偏振控制器 PC2
和偏振相关光隔离器相当于一个强度均衡器 ,通过
调节偏振控制器 PC2 可使光脉冲具有不同的偏振
状态 ,偏振相关光隔离器将偏振态的差异转变为透
射率的差异 ,因此通过调节偏振控制器 PC2 可以控
制各波长光脉冲的透射率 ,从而实现各波长光脉冲
间的强度均衡 ,减小输出功率起伏 ,扩大调谐范围1
2 实验结果和讨论
实验中利用带宽 500 MHz 的实 时示波 器
(Tektronix TDS3052)来观测激光器输出的时域特
性,用最小分辩率为 0. 06 nm 的 光 谱 仪
(Agilent86140B)观测激光器输出的频域特性 ,利用
光功率计(PMS21BF)检测光纤激光器的输出功率 ,
超快光电探测器 (XPDV2020)结合带宽为 50 GHz
的示波器(Agilent86100B)测量脉冲的宽度1
图2给出了当 EDFA1 、EDFA2 泵浦功率分别
为100 mW 和99 mW 时,对EDFA2 输出端进行观
测,所获被动锁模脉冲光谱图(a)、脉冲序列图(b)和
脉冲宽度图 (c),其重复频率 1. 1 M Hz ,中心波长
1 559 nm ,谱宽 9 nm ,脉宽 464 ps ,平均输出功率
11. 2 dBm1在此条件下 ,采用腔外滤波法[ 11 ] ,对该
锁模掺铒光纤激光器进行了波长可调谐输出实验研
究,在整个滤波过程中保持偏振控制器 PC1 波片方
位角以及 EDFA 抽运功率不变 1实验上通过联合
调节可调谐光纤光栅滤波器和偏振控制器 PC2 波
片的方位角 ,实现了输出波长从 1 548 ~1 570 nm
连续可调谐 ,波长调谐范围达 22 nm ,边模抑制比在
20 dB 以上 ,各输出波长 3 dB 线宽小于 0. 35 nm1
图2 经 EDFA2 放大后锁模脉冲结果
Fig. 2 Output results of mode2locked pulse after amplified by EDFA2
图 3分别给出了在 1 548 nm 和1 559 nm 处滤
波后得到的光谱图1从图中可以看出 ,信噪比均大
于20 dB ,但是光谱中具有很大的噪声基底.这是因
为该可调谐光纤光栅滤波器属于反射型滤波器 ,端
面反射使得反射光谱中存在一定的反射背景.因此 ,
如果采用滤波特性较好的滤波器则可大大提高输出
信号的信噪比 ,消除噪声 1图4给出了对激光器输
出脉冲滤波后得到的平均输出功率和脉冲宽度随波
长的变化情况 ,从图中可以看出 ,在1 548~1 570 nm
的波长调谐范围内 ,激光器输出功率起伏小于
312
光 子 学 报 37 卷
0. 8 dBm ,脉冲宽度略有改变 ,脉冲宽度的改变主要
是由所用光纤光栅滤波器引起的 ,由于该光纤光栅
滤波器是通过拉伸光纤长度来实现波长调节的 ,而
光栅本身周期的改变会引起光纤光栅色散的改变 ,
色散的变化导致了脉冲宽度的改变1
3 结论
采用非线性光纤环形镜加成脉冲锁模技术结合
可调谐光纤光栅滤波器 ,实现了被动锁模掺铒光纤
激光器的波长 可调谐输出 ,获得了重复频率为
1. 1 M Hz 、输出功率起伏小于 0. 8 dBm 、中心波长在
1 548~1 570 nm 内连续可调的短脉冲输出1该激
光器腔内没有加入色散补偿器件 ,且腔长较长 ,导致
输出脉冲宽度较宽 ,重复频率较低1可以预见 ,如果
在8字形腔中采用一段正色散光纤进行啁啾补偿、
进一步优化环镜长度和增益光纤长度、采用滤波性
能更好的可调谐滤波器 ,并结合谐波锁模技术 ,则可
得到脉宽更窄、重复频率更高、调谐范围更广的窄线
宽光脉冲输出1
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2期 郭雄英 ,等:8 字形腔波长可调谐锁模脉冲光纤激光器
Wavelength Tunable Mode2locked Pulse Fiber Laser
Based on Figure2of2Eight Cavity
GUO Xiong2ying1 ,2 , YA N G Ling2zhen1, HE Hu2cheng1, CAO Ling1, WAN G Yun2cai1
(1Ph ysics D ep art ment , Coll ege of S cience , T ai yuan U niversi ty o f Technol ogy , T ai yuan 030024 , China)
(2Physics Dep artment , X injiang University , Urumqi 830046 , Chi na
Received dat e :2006209211
Abstract : Experimental st udy of t he wavelength tunable passively mode2locked Er2doped fiber laser based
on figure2of2eight cavity is p resented. Wavelength tunable and stable mode2locked pulses are obtained by
utilizing the additive p ulse mode2locking technique based o n nonlinear optical loop mirror associated with
tunable fiber grating filter. On the condition that t he pump power of EDFAs is fixed , by adjusting the
tunable filter and orientation of polarization controllers , t he mode2locked p ulses at 1. 1 M Hz repetitio n rate
wit h average outp ut power fluctuation less than 0. 8 dBm , and tunable range from 1 548 nm to 1 570 nm
are obtained. The self2starting of t he mode2locked fiber laser can be obtained , and the mode2locked
operation can be hardly influenced by the environment disturbance.
Key words:Laser t echnique ; Fiber la ser ; Figure2of2ei ght cavit y ;No nlinea r op tical loop mirror ; Wavele ngt h
tenability
GUO Xiongying was born in 1980. Now she is pursuing her M. S. degree at Xinjiang
University and engaged in her thesis at Taiyuan University of Technology. Her research work
mainly focuses on nonlinear fiber optics and ultra2short pulse generation in fiber laser.
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