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正色散掺铒光纤激光器耗散孤子共振脉冲特性研究

正色散掺铒光纤激光器耗散孤子共振脉冲特性研究

张丽强;高丛丛;王贝贝;张丙元

【摘要】报道了一种工作在正色散区的耗散孤子共振脉冲锁模光纤激光器.详细研究了泵浦功率及偏振控制器状态对输出脉冲特性的影响.耗散孤子共振脉冲中心波长1 575nm,光谱宽度约6.66nm.当泵浦功率从220mW升高到554mW时,脉冲宽度从0.78ns增加到3.16ns,脉冲能量变化范围为3.5nJ至16.9nJ.泵浦功率

409mW时,改变偏振控制器状态,脉冲宽度在1.6ns至3.2ns范围之间变化.实验中还研究了获得的耗散孤子共振纳秒矩形脉冲的啁啾特性,脉冲经过25m单模光纤传输,脉冲宽度无明显变化,脉冲为非线性啁啾.%The generation of dissipative soliton resonance pulses in a passively mode-locked net-normal dispersion Er-doped fiber laser is demonstrated.The dependence of pulse characteristics on pump power and the state of polarization controllers is investigated detailed.The central wavelength is 1 557 nm, with the 3 dB bandwith of 6.66 nm.By purely increasing the pump power from 220 mW to 554 mW, the pulse duration extends from 0.78 ns to 3.16 ns, while the pulse energy ranges from 3.5 nJ to 16.9 nJ.At the pump power of 409 mW, by carefully adjusting of the polarization controller's oriention, pulse duration varies from 1.6 ns to 3.2 ns.Moreover, the chirp properties of the pulses is checked.No obvious change on the pulse profile was observed after propagation in a 25 mstandard single mode communication fiber.【期刊名称】《聊城大学学报(自然科学版)》

【年(卷),期】2018(031)004

【总页数】6页(P42-47)

【关键词】耗散孤子共振;锁模;正色散;光纤激光器

【作者】张丽强;高丛丛;王贝贝;张丙元

【作者单位】聊城大学物理科学与信息工程学院、山东省光通信科学与技术重点实验室, 山东聊城 252059;聊城大学物理科学与信息工程学院、山东省光通信科学与技术重点实验室, 山东聊城 252059;聊城大学物理科学与信息工程学院、山东省光通信科学与技术重点实验室, 山东聊城 252059;聊城大学物理科学与信息工程学院、山东省光通信科学与技术重点实验室, 山东聊城 252059

【正文语种】中文

【中图分类】TN248

0 引言

锁模脉冲激光器峰值功率高,脉冲宽度窄,在材料科学、生物医学、高速光通信等领域有重要应用[1-4].与固体激光器相比,光纤锁模激光器脉冲质量高,散热效果好,结构紧凑,成本低廉.但光纤非线性效应的存在,限制了脉冲能量的提高.为提高锁模光纤激光器的脉冲能量,人们提出各种脉冲演化机制,比如正色散光纤激光器中的耗散孤子和自相似脉冲.但由于非线性相移的积累,当单脉冲能量较高时,耗散孤子及自相似脉冲锁模激光器中仍存在脉冲分裂现象.

2008年,Chang等[5]在用金兹堡-朗道方程研究耗散孤子系统脉冲特性时发现,在特定方程参数下,单脉冲能量可无限增大而不会出现脉冲分裂,这种脉冲行为称之为耗散孤子共振(dissipative soliton resonance,简称DSR).DSR脉冲为矩形脉冲,随泵浦功率的提高,脉冲宽度增大,单脉冲峰值功率保持不变[6-8].2009年,Xu等[9]在

掺铒光纤激光器中观察到DSR脉冲,证实这种脉冲的存在.随后,DSR引起人们广泛关注[10-13].非线性偏振旋转锁模的DSR光纤激光器[14-18],8字形光纤激光[19-22]以及使用碳纳米管[16]或石墨烯[10]作为锁模器件的DSR激光器相继被报道.激光器波长也覆盖了1 060 nm波段[10,14,23]、1 550nm波段以及掺铋光纤激光器的1 170 nm[19]波段.

在1 550 nm波段,掺铒光纤DSR锁模激光器的研究,大多集中在负色散区域[15-18].2011年,Duan等[15]首次报道了负色散掺铒光纤激光器中的矩形脉冲,并对输出脉冲的啁啾特性进行了研究.随后,Luo等[12]实验研究了工作在耗散孤子共振状态的负色散掺铒光纤激光器中的脉冲的动力学特性,随着泵浦功率的提高,脉冲形状从类双曲正割型演化为矩形,脉冲宽度的调制范围也覆盖到了脉冲在腔内循环一周的时间.2015年,Liu等[24]在8字形光纤激光器内加入5.5 km普通单模光纤,获得了135 ns至2 272 ns宽度可调的DSR脉冲.2017年,Lyu等[17]研究了负色散掺铒光纤激光器中的多脉冲现象.Krzempek[20]及Semaan[11,13,21]则对Er:Yb 共掺负色散光纤激光器中DSR脉冲的光谱特性、多脉冲特性及其他特性进行了研究.

普通通信光纤在1 550 nm波段为负色散,因此,相比于负色散DSR激光器,正色散区掺铒光纤DSR激光器的报道非常少.Wu等[9]报道了使用非线性偏振旋转锁模的掺铒光纤全正色散激光器中的DSR现象,Yang等[25]则研究了8字形锁模激光器的DSR特性.正色散掺铒光纤激光器中DSR现象的脉冲演化特性、脉冲随偏振控制器状态的变化特性及输出脉冲在负色散单模光纤中的传输特性均未见报道.正色散锁模激光器中,脉冲在腔内展宽,峰值功率降低,从而降低了光纤非线性效应的影响,有望输出更高的脉冲能量,有必要对正色散掺铒光纤DSR激光器进行深入研究,以便更好地理解耗散孤子共振脉冲激光器以及正色散锁模光纤激光器的工作特性.

本文报道了一种正色散区掺铒光纤DSR激光器.调节偏振控制器,激光器可分别工

作在耗散孤子及耗散孤子共振状态.耗散孤子共振脉冲重复频率922 kHz,激光器中心波长1 575 nm,光谱宽度约6.66 nm.研究发现,泵浦功率升高时,脉冲宽度增加但峰值功率不变,但当泵浦功率不变,改变偏振控制器状态时,脉冲宽度增加,峰值功率降低.同时,对输出脉冲在普通单模光纤中的传输特性进行了研究.

1 实验装置

图1 实验装置图

实验中搭建的DSR锁模光纤激光器的结构如图1所示,锁模方式为非线性偏振旋转.增益介质为一段0.8 m掺铒光纤,976 nm泵浦光通过波分复用器(WDM)耦合至增益光纤.两个偏振控制器(PC1及PC2)及其中间的偏振相关隔离器(ISO)用来实现非线性偏振旋转锁模,偏振相关隔离器同时用来保证光单向传输.激光器的输出由

10/90的耦合器(10/90 OC)提供,10%的光输出至腔外.为使激光器工作在正色散区,加入190 m正色散光纤(NDF).WDM、输出耦合器OC及偏振相关隔离器的尾纤为普通单模光纤SMF-28e,总长度约5.5 m,在1 550 nm附近的色散值为-23

ps2/km,偏振控制器及色散位移光纤的总长度约200 m,在1 550 nm附近的色散为1.2 ps2/km,掺铒光纤在1 550 nm附近的色散为13.5 ps2/km,腔内总色散约0.124 ps2,激光器工作在正色散区.实验中使用光谱仪AQ6370D记录光谱形状,使用探测器(ET-3000)及示波器DSO54832b记录脉冲形状.

2 实验结果及讨论

实验过程中通过调节泵浦功率及偏振控制器状态可分别获得耗散孤子脉冲及DSR 脉冲.图2给出了泵浦功率267.3 mW时,激光器输出的耗散孤子的特性.图2(a)为示波器显示的单脉冲形状.图2(b)为对应的光谱,光谱边缘陡峭,为耗散孤子的典型特征.中心波长1 561.4 nm,3 dB带宽17.4 nm.实验中重点关注DSR现象,详细讨论DSR脉冲的特性.

图2 激光器输出的耗散孤子特性 (a) 示波器记录的单脉冲形状; (b) 光谱

图3为泵浦功率491 mW时激光器输出的DSR脉冲特性.图3(a)为单脉冲形状,脉冲宽度为2.8 ns.图3(b)为脉冲序列,脉冲重复频率922 kHz,与脉冲在腔内循环一周的时间一致.图3(c)为对应的光谱图,中心波长1 575 nm,3 dB带宽6.66 nm.文献[12]与[17]报道的工作在负色散区的DSR脉冲的光谱形状与传统孤子类似,光谱具有明显的边带.本文获得的DSR脉冲的光谱则与文献[9]报道的一致,光谱没有调制边带,而类似于掺铒光纤激光器的放大的自发辐射光.与图2相比,脉冲形状及光谱均明显不同.图3(d)为扫描范围50 MHz时脉冲的频谱图,信噪比约30 dB.

图3 输出的耗散孤子共振脉冲特性 (a)单脉冲形状, (b)脉冲序列, (c)光谱, (d)频谱

图4 脉冲及光谱形状随泵浦功率的变化 (a) 脉冲形状, (b) 光谱形状

图5 220 mW时脉冲形状及曲线拟合结果

DSR脉冲的典型特征为当泵浦功率增大时,脉冲宽度增加,但峰值功率不变.为证实激光器工作在DSR状态,研究了脉冲形状随泵浦功率的演化情况.图4给出了当泵浦功率从220 mW增加到554 mW时,脉冲及光谱的变化情况.从图4(a)可以看出,泵浦功率较低时,脉冲并非矩形,随着泵浦功率的增大,脉冲逐渐演化为矩形.当泵浦功率继续增大时,矩形脉冲的峰值功率不变,脉冲宽度增加.Duan等[15]及Lyu[17]搭建的DSR激光器,泵浦功率增大时,脉冲从类双曲正割型演化为矩形,而Zhao等[19]报道的掺铋光纤DSR激光器,脉冲形状则从高斯型演化为矩形.为分析实验获得的低功率时DSR脉冲的形状,对220 mW时脉冲进行曲线拟合.图5为分别用高斯曲线和双曲正割曲线拟合的结果,从图中可以看出,泵浦功率较低时,输出脉冲的形状更接近高斯型.图4(b)为泵浦功率变化时,光谱的变化情况,光谱宽度及形状没有明显的变化.光谱的这种特性使其能够克服增益带宽的限制,有望获得超高能量的脉冲[15].脉冲及光谱形状的演化结果证实获得的是耗散孤子共振脉冲.

图6为激光器的输出功率、峰值功率、脉冲宽度以及单脉冲能量随泵浦功率的变

化情况.当泵浦功率从220 mW升高到554 mW时,输出功率从3.2 mW增大到15.6 mW,而峰值功率保持在5 W左右.当泵浦功率554 mW时,激光器输出功率15.6 mW,此时脉冲峰值功率5.35 W,考虑到输出耦合比为10%,此时激光腔内脉冲的峰值功率约50 W.随着泵浦功率的增加,输出脉冲宽度和单脉冲能量线性增大.当泵浦功率从220 mW升高到554 mW时,脉冲宽度从0.78 ns增加到3.16 ns,脉冲能量变化范围为3.5 nJ至16.9 nJ.受限于泵浦源的最大输出功率,泵浦功率没有继续增大.

图6 输出特性随泵浦功率的变化(a)输出功率及峰值功率,(b)及脉冲宽度和单脉冲能量

实验过程中发现,矩形脉冲的宽度除了与泵浦功率有关外,还与偏振控制器状态有关.当泵浦功率一定时,小范围内连续改变偏振控制器状态,激光器能持续保持在稳定的DSR状态,脉冲峰值功率降低,宽度增大.图7(a)为泵浦功率409 mW时,激光器输出脉冲随偏振控制器状态的变化.脉冲宽度的变化范围为1.6 ns至3.2 ns.继续改变偏振控制器状态,激光器输出脉冲不稳定,脉冲分裂为2-3个小脉冲,小脉冲的宽度及形状随机变化,图7(b)随机记录了3个分裂后的脉冲.

图7 脉冲形状随偏振控制器状态的变化

图8 经2 m及25 m单模光纤传输后的脉冲

具有线性啁啾的脉冲在负色散光纤中传输时,脉冲会被压缩.DSR脉冲边缘陡峭,中间平坦,有必要确定这种脉冲中心部分是否为线性啁啾.Duan等[15]使负色散掺铒光纤激光器输出的DSR脉冲经过10 m及20 m色散补偿光纤,脉冲宽度几乎不变,脉冲无法被压缩.为确定实验过程中获得的DSR脉冲能否被压缩,研究了输出脉冲在普通负色散光纤中的传输特性.使输出脉冲分别经过2 m,6 m以及25 m单模光纤,其提供的色散值分别为-0.046 ps2,-0.138 ps2及-0.575 ps2.图8给出了光纤经过2 m及25 m负色散光纤后的结果,脉冲宽度基本保持不变.说明实验中获得的DSR

脉冲具有非线性啁啾,脉冲无法被压缩.

3 结论

详细研究了工作在正色散区耗散孤子共振脉冲的输出特性.获得的脉冲重复频率922 kHz,中心波长1 575 nm,光谱宽度约6.66 nm.泵浦功率554 mW时,输出的平均功率15.6 mW,脉冲宽度3.16 ns,单脉冲能量16.9 nJ.实验中探索了泵浦功率和偏振状态对DSR脉冲的影响.当泵浦功率从220 mW升高到554 mW时,脉冲宽度从0.78 ns增加到3.16 ns.泵浦功率409 mW时,改变偏振控制器状态,脉冲宽度在1.6 ns至3.2 ns范围之间变化.研究结果对于更好地理解耗散孤子共振激光器及正色散锁模光纤激光器的工作特性有重要意义.

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上海200062;华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室,上海200062;华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室,上海200062 【正文语种】中文 1 光学频率梳——时频域精密控制的飞秒激光脉冲 20世纪后期,超快激光技术的快速发展为精密光谱测量技术提供了崭新的技术手段。具有超高时间分辨能力的飞秒脉冲,赋予科研人员探索超快物理规律,获取原子、分子特征信息,认识物质内部能量传递的能力。在工业生产方面,飞秒脉冲具有极高的峰值功率密度,最大限度地减小了热损伤,带来了前所未有的加工精度。基于飞秒激光器和超快激光技术,科学家于1999年发明了光学频率梳。由于光学频率梳在时频域均具有极高的分辨率和稳定性,被广泛应用于时频域高分辨、高精度科学研究。 光频梳是一种由众多分立且频率间隔严格相等的频率齿组成的宽带光源,它类似于一把计量频率的尺子,因此也被称作光学频率尺。产生光频梳的主要途径有三种:其一是基于被动锁模飞秒激光器,通过控制超短脉冲的载波包络相位偏移频率和重复频率,实现光脉冲时域与频域的精密控制,可输出频谱覆盖范围超过一个倍频程的宽带光谱;其二是对窄线宽连续激光器进行幅度调制和相位调制,进而在频域上获得一系列频率间隔相等的调制边带;其三是基于微腔振荡器的光频梳产生技术,它是将一束窄线宽激光注入高品质因子的光学微腔内,通过模式共振产生出频率间隔相等的频率边带。同时,这些边带模式在级联四波混频作用下,生成更多的频率间隔可高达数百吉赫兹(GHz)的宽带光谱。 图1 光学频率梳的基本原理[1] 目前研究与应用最为广泛的是基于锁模激光器的飞秒光频梳,其基本原理如图1

啁啾波导光栅

啁啾波导光栅 摘要:本文简述了光纤的色散以及啁啾波导光栅色散补偿原理,并简单介绍了目前波导光栅以及可调谐特性的研究现状,并对波导光栅的调谐技术进行了对比分析,最后进行总结。 关键词:色散、延时、光栅、调谐 一、研究背景 光纤光栅是一种通过一定的方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅是一种无源滤波器件,其实质是改变光纤芯区折射率,随着光纤光栅制作技术的日益成熟,利用不同的方法可制作出各种各样的光纤光栅,这些光纤光栅可以用来制作光纤激光器、色散补偿器、波长转换器、上/下话路复用器、EDFA增益均衡器等。 近年来,随着互联网业务的迅速增长,多种新型宽带业务应运而生,对宽带通信业务容量与速率的要求也越来越高。但迄今为止,商用光纤通信系统的传输速率仍被限制在几十G bit / s 以下,这从根本上阻碍了光纤通信的发展。限制光纤中光信号传输的两个重要因素是损耗和色散。损耗限制了光信号传输的距离,色散限制了通信容量。虽然损耗问题随着1990 年掺铒光纤放大器的出现得到了较好的解决,但却加剧了色散的累积,使得色散问题更加突出,因此如何有效地控制光纤色散成为国内外研究的热点问题。 色散是由于光纤中所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同,而引起传输信号畸变的一种物理现象。在光纤中,脉冲色散越小,它所携带的信息容量就越大。其链路的色散累积直接影响系统的传输性能,这在波分复用系统中尤为重要。因此,研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。 目前,色散补偿的技术有:1.啁啾光栅法2.预啁啾技术3.光孤子传输4.编码(DB码)5.微环、光子晶体。 1982年,F. Ouellette首先提出采用啁啾Bragg光栅作为反射滤波器实现色散补偿的理论,但直到20世纪90年代制造工艺的进一步发展才使其得到实际应用。啁啾光纤光栅补偿法的特点是器件小型化、结构紧凑、插入损耗低和非线性效应小,具有对偏振不敏感等技术优势,而且可以通过应力或者温度进行动态调谐。因此光纤啁啾光栅成为了对色散进行有效补偿的器件之一。另外,光纤光栅的制备工艺也日趋成熟,短波长损耗、温度补偿封装、PMD的减小与消除以及光纤光栅的使用寿命等问题也先后被解决,因此啁啾光纤光栅作为色散补偿方案具有良好发展前景,是色散补偿技术发展的重要方向。 啁啾光纤光栅可以用来补偿色散,可以实现很小的器件补偿大的色散,并且最近可调谐的啁啾光栅也在被广泛的研究,可以实现对不同波长的调谐。有很好的应用前景。

超长腔被动锁模光纤激光器的研究进展

超长腔被动锁模光纤激光器的研究进展 刘彤辉;贾东方;陈炯;杨敬文;王肇颖;杨天新 【摘要】超长腔被动锁模光纤激光器具有很多优点,它不但可以实现低重复频率运转,而且在同样的平均功率下可以实现更高的脉冲能量.综述了近年来几种不同的超长腔被动锁模光纤激光器的锁模机理、各自的特点及研究进展,分析了目前存在的技术问题以及未来的研究方向.%Ultra-long cavity passively mode-locked fiber lasers have several advantages. It can not only operate at low repetition rate, but also have higher pulse energy under the same average power. The paper reviewed the mode-locking mechanisms, characteristics, and the latest research progress of different kinds of ultra-long cavity passively mode-locked fiber lasers. And the existing technical problems and future research directions are analyzed. 【期刊名称】《光通信技术》 【年(卷),期】2012(036)009 【总页数】4页(P34-37) 【关键词】光纤激光器;光纤光学;被动锁模;超长腔 【作者】刘彤辉;贾东方;陈炯;杨敬文;王肇颖;杨天新 【作者单位】天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技

关于激光器研究(文献综述)

关于锁模光纤激光器的研究 前言 激光器,顾名思义,即是能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器,获得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围,1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后,激光器的种类就越来越多。按工作介质分,激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还开展了自由电子激光器,大功率激光器通常都是脉冲式输出。2004 年,Idly 提出了一种自相似脉冲光纤激光器,同时为这种光纤激光器建立了一种数值模型。模型中采用非线性薛定谔方程〔NLSE〕描述脉冲在正色散光纤中的传输,引入了一个与脉冲强度相关的透过率函数将NPE 锁模机理等效成快速可饱和吸收体〔SA〕的作用0 模拟发现这种激光器输出的脉冲具有抛物线的形状和线性啁啾,能量可高达10nJ。随着自相似脉冲在实验上的实现,自相似锁模光纤激光器迅速成为超短光脉冲领域的研究热点。用Idly 模型对自相似锁模光纤激光器的研究不断取得新的进展。在此我将对激光和激光器的原理和基于原理而做出的进一步的相关研究〔如被动锁模光纤激光器〕做一个大致的探讨。

主题 激光器的原理 非线性偏振旋转被动锁模环形腔激光器的构造如图1所示, 激光器由偏振灵敏型光纤隔离器、波分复用器、偏振控制器、输出藕合器、掺yb3+光纤组成。其工作原理为从偏振灵敏型光纤隔离器输出的线偏振光,经过偏振控制器PCI(1/4 λ波片)后变为椭圆偏振光, 此椭圆偏振光可看成两个频率一样、但偏振方向互相垂直的线偏振光的合成, 它们在掺yb3+增益光纤中藕合传输时, 经过光纤中自相位调制和穿插相位调制的非线性作用, 产生的相移分别为 其中n1x、n1y分别为yb3+光纤沿X、Y方向的线性折射率, n2、l 分别为该光纤的非线性折射率系数和长度。 由于两线偏振光的相位差〔ΔΦ=Φx-Φy〕, 与两偏振光的光强有关, 适当调整光纤偏振控制器PC2〔1/4 λ波片 +1/2 λ波片〕, 使两偏振光中心

光子晶体光纤研究与应用

光子晶体光纤研究与应用 周灵德;李小甫;余海湖;姜德生 【摘要】Photonic crystal fiber,a kind of microstructure or holey optical fibers,was a hot topic in the field of novel optical fibers in last twenty years.Because of its unique structure and optical properties,photonic crystal fiber attracted extensive attention for the application in fields outside optical communication.The fiber types, waveguide mechanism,preparation techniques,fiber characteristics and research progress were summarized. The applications of photonic crystal fiber in supercontinuum light source,fiber lasers,fiber sensors,etc.,were introduced.%光子晶体光纤是由光子晶体的概念发展而来的一类多孔微结构光纤,是近20年来新型光纤研究的热点。由于具有独特的结构和光学特性,光子晶体光纤在非通讯领域的应用受到广泛关注。对光子晶体光纤的分类、导光机制、制备工艺、光纤特性和研究进展作了综述,介绍了光子晶体光纤在超连续谱光源、光纤激光器、光纤传感器等方面的应用。 【期刊名称】《功能材料》 【年(卷),期】2014(000)012 【总页数】5页(P12006-12009,12018) 【关键词】光子晶体光纤;光子禁带;光学非线性;超连续谱光源 【作者】周灵德;李小甫;余海湖;姜德生

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