1 引言

光纤光学频率梳^[1]有着重要而广泛的应用,如光钟^[2]、时频传递与分配^[3]、天文观测^[4]等。光纤光梳的实现通常需要同时锁定载波包络相位(f₀)和重复频率(f_r)。考虑到f₀的探测和锁定较为复杂和困难,且在某些应用场景下,例如双光梳光谱^[5]、双光梳测距^[6]等应用只需锁定重复频率f_r即可。因此,发展具有高可靠性、高稳定性、重复频率锁定的飞秒激光器具有重要意义。

基于全保偏光纤的锁模技术及基于共振增强非线性折射率调制技术的重复频率锁定方法极具优势。目前,基于全保偏光纤的被动锁模技术主要有可饱和吸收镜、非线性偏振旋转、非线性光纤环形镜或非线性放大环形镜等。基于可饱和吸收镜的锁模激光器的优点在于其结构设计简单、波长可控性强、锁模启动成功率高。最近,He等^[7]使用一种透/反复合双饱和吸收体提高了吸收体对光脉冲前后沿的吸收,可以有效压缩光脉冲宽度。但是,可饱和吸收体的可靠性较差,主要原因在于它通常工作在饱和功率附近,容易产生光致损伤^[8]。非线性偏振旋转锁模类似于快速饱和吸收体,具有无损伤和易于搭建的优点,一直以来都是采用非保偏光纤搭建,但锁模脉冲的长期稳定性较差。最近,基于非线性偏振旋转锁模的光纤激光器实现了全保偏化和全光纤结构,利用多次角度熔接抵消了脉冲在保偏光纤快轴和慢轴的偏振模色散。但是,温度和振动仍会影响光纤的双折射,激光器仅能在控温极好的状态下稳定工作^[9-10]。非线性环形镜^[11-18]是基于非线性干涉原理的叠加脉冲锁模技术工作的,由于这种锁模方式依赖于正、反向传输的脉冲在环路中累积的非线性相移差,因此,传统的非线性环形镜只能工作在较低的重复频率下(通常小于10 MHz^[11-13])。1987年,Yariv^[14]在非线性环内加入能提供一定线性相移的非互易性组件,通过波片与法拉第旋光器组合显著降低了锁模对非线性相移的需求。2016年,Jiang等^[15]设计了光纤耦合的相移器,它能提供π/2的线性相移,实现了全保偏掺镱光纤激光器的低阈值锁模。在1 μm波段内,超短脉冲在光纤中表现为耗散孤子,需要在腔内加入2.8 nm带宽的滤波器(或300 line/mm的光栅)进行光谱滤波,才可以获得光谱宽度为3.1 nm(8 nm)的锁模脉冲输出,相应脉冲宽度为2.13 ps(1.1 ps)。2017年,邹峰等^[16]在非线性放大环形镜内加入了一个可调谐滤波器,在实现全正色散耗散孤子锁模的同时还获得了1015~1080 nm的可调谐激光输出,脉冲宽度变化范围为7.86~17.80 ps。同年,Guo等^[17]和Li等^[18]相继报道了对非线性放大环形镜锁模掺镱光纤激光器载波包络相位的探测和锁定结果。与1.55 μm波段光纤激光器不同的是,1 μm波段光纤激光器腔内的色散补偿尚无法实现全光纤化,通过对块状光栅对的光纤耦合封装能够解决这一问题。

在解决全保偏光纤锁模的基础上,通过对激光器重复频率的精确锁定,可以实现低噪声的锁模脉冲输出。重复频率锁定方法主要有采用压电陶瓷(PZT)控制振荡器的几何腔长或采用控制腔内传输介质折射率这两种方法。2003年,Tai等^[19]将钛宝石激光器谐振腔的一个光学镜片固定在PZT上,锁定后重复频率的抖动量降到了mHz量级。2017年,吴浩煜等^[20]将掺铒光纤振荡器中的一段光纤固定在PZT上进行重复频率锁定,锁定后重复频率的标准偏差为0.65 mHz。然而,PZT的主要缺点在于需要较高的驱动电压、胶水固定安装、长期稳定性欠佳等,难以实现长时间的高精度重复频率锁定。2015年,Shen等^[21]在非线性偏振旋转锁模激光器内加入一个电控偏振控制器,通过粗调和精调控制电压实现了锁模自启动和重复频率的锁定,重复频率锁定的标准偏差为1.4 mHz。2013年,Rieger等^[22]采用共振增强式非线性折射率调制技术对掺铒激光器的重复频率进行锁定,通过在掺铒激光器内加入一个980 nm/1550 nm波分复用器和一段掺镱光纤,调制加载至该掺镱光纤上的抽运光强度来改变该段光纤的反转粒子数,进而控制该段光纤的非线性折射率,实现对激光器有效腔长的控制,重复频率的标准偏差为22 mHz。2017年,罗浆等^[23]在基于可饱和吸收体锁模的全保偏掺镱光纤激光器(F-P腔)中加入一段掺铒增益光纤,实现了峰-峰值波动范围小于0.5 mHz的重复频率锁定,相应的标准偏差为0.16 mHz。由于该腔结构较难实现色散补偿,输出脉冲宽度为20 ps。

本实验在非线性放大环形镜锁模的掺镱光纤激光器中采用共振增强式非线性折射率调制技术,实现了全保偏飞秒脉冲激光器的重复频率锁定。采用非互易性相移器件将脉冲锁模阈值降低至170 mW。通过优化腔内色散和抽运功率实现了590 fs的锁模脉冲输出,平均功率为0.22 mW,重复频率为20.48 MHz。通过反馈控制掺铒光纤上的抽运光强度,实现了激光器重复频率的精确锁定,抑制了激光器的低频噪声,锁定精度为0.1 mHz。

2 实验装置和方法

实验装置图如图1(a)所示。图1中:LD表示激光二极管;WDM表示波分复用器;YSF表示掺镱单模单包层光纤;EDF表示掺铒光纤;col.表示准直器;DPMFM表示保偏相位延时法拉第镜;coupler 1、coupler 2和coupler 3分别表示45∶55、5∶95和5∶5分束器;FWG表示函数波形发生器;counter表示频率计数器;LP表示低噪声前置放大器;PD1、PD2和PD3表示光电二极管;driver表示精密电流源;Rb表示铷钟。

非线性放大环形镜锁模激光器包括7.5 m长的非线性环和1.2 m长的线性臂。激光振荡器的所有光纤均为保偏光纤。腔内中央的coupler 1(45∶55分束器)将线性臂中反射回的光分为两束方向相反、强度相近的光。实验以最大输出功率为400 mW、中心波长为974 nm的半导体激光器LD1为抽运源,通过980 nm/1030 nm波分复用器WDM1将抽运光耦合入谐振腔内。振荡器增益介质为1 m长的掺镱光纤。该掺镱光纤在975 nm波长处的吸收系数约为250 dB/m,纤芯模场直径为7.5 μm,数值孔径为0.11。为了使非线性环内正、反方向传输的脉冲易产生相移差,一方面将掺镱光纤不对称放置,另一方面在非线性环内加入一个1030 nm波段的非互易性相移器,以降低锁模对非线性相移的需求。相移器由法拉第旋光器和波片组成^[14-15]。沿顺时针传输的光束在进入非线性环的同时被放大,沿逆时针传输的光束则在离开非线性环时才被放大。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,正、反向传输的脉冲回到coupler 1时获得了不同的非线性相移。脉冲中央较强部分的相移达到π时被透射,而脉冲边沿部分的能量较低,获得的相移较小而被反射。为了实现振荡器直接输出脉冲宽度可达fs量级,本实验在线性臂中加入了色散补偿器件。coupler 1的一个端口连接有1支准直器(Col),用于将光纤中传输的光转换为空间光,空间部分由一对透射式光栅以及一个反射镜组成。光栅刻线密度为1250 line/mm,通过调整两光栅的间距来调整腔内色散。在实验中,采用带宽为2 GHz的光电二极管PD1、PD2和PD3测量激光器的重复频率信号。非线性环内coupler 2(5∶95分束器)port 3端输出的光脉冲信号通过光电二极管PD3转换为电信号,连接至示波器用于监测激光器锁模状态。port 1端输出的脉冲经过coupler 3(5∶5分束器)分为两束:一束由port 4端输出,通过PD2转换为电信号传输至频率计数器,以测量重复频率的稳定性;另一束由port 5端输出至光纤放大器,再通过自相关仪及频率分辨光学开关(FROG)测量脉冲宽度。

图 1. (a)实验装置图;(b) port 1端的输出功率;(c) port 1端的输出光谱

Fig. 1. (a) Experimental setup; (b) measured output power at port 1; (c) measured spectral profile at port 1

下载图片 查看所有图片

共振增强式非线性折射率调制技术锁定重复频率是通过抽运调制一段1.5 m长的掺铒光纤来实现的。该掺铒光纤在1530 nm的吸收系数为55 dB/m,纤芯模场直径为8.8 μm,数值孔径为0.15。实验以最大输出功率为200 mW、中心波长为974 nm的半导体激光器LD2为抽运源,通过一个980 nm/1030 nm波分复用器WDM2将抽运光耦合至该段掺铒光纤上。采用重复频率的高次谐波可获得更为显著的误差信号,从而得到更高的重复频率锁定精度^[23-24]。本实验是将光电二极管PD1测到的重复频率信号在混频器中与信号发生器(Anapico APSIN2010)的参考信号(重复频率信号的20次谐波)进行混频,产生实时误差信号;该误差信号通过低噪声前置放大器(放大倍数为1~5×10⁴可调,滤波范围1 Hz~1 MHz可调)处理后加载至恒流源(ILX Lightwave,LDX-3525B)上,从而调制LD2的输出功率,在不影响锁模状态的情况下,实现对重复频率的闭环锁定。系统中的信号发生器和频率计数器均参考铷钟的频率标准(FS725,SRS Inc,输出频率为10 MHz,秒稳定度为2×10^-11,频率准确度为5×10^-11)。

3 实验数据和分析

在实验中,首先寻找了激光器稳定锁模的抽运区间。如图1(b)所示:当LD1抽运功率低于80 mW时,激光器工作在连续波(CW)输出状态;当LD1抽运功率处于80~170 mW之间时,振荡器出现了不稳定的调Q锁模状态。实验发现,激光器锁模脉冲的最低抽运阈值为170 mW,脉冲重复频率为20.48 MHz。相比于文献[ 17]中的锁模阈值增加了35 mW,主要是因为腔内加入的一段掺铒光纤增加了吸收和熔接损耗。图1(c)是当LD1的输出功率为170 mW时,使用光谱仪(YOKOGAWA,AQ6370)在port 1端测量的输出光谱,光谱半峰全宽(FWHM)为5.19 nm。

当LD1抽运输出功率进一步增加时,激光器输出了多峰结构的脉冲,其主要原因在于环内的非线性相移受到了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影响^[25-26]。使用自相关仪测量的激光器输出脉冲宽度会出现由脉冲多峰结构产生的脉宽跳变,无法准确测量出脉冲宽度的变化。故本实验采用FROG(coherent solutions,HR100)对该锁模振荡器输出脉冲的时域和频域特性进行了分析。考虑到FROG对探测脉冲的功率要求,本实验使用了一个总长为2 m的掺镱光纤放大器(增益光纤长度为1 m)将port 5端输出脉冲的功率放大至10 mW。图2(a)显示了脉冲宽度随LD1抽运功率的变化。图2(b1)~(b3)分别是抽运输出功率为170,200,310 mW时测量的光谱和相位曲线。当LD1抽运输出功率从338 mW减小至186 mW时,脉冲宽度从9.1 ps减小至3.0 ps。当抽运功率进一步由186 mW降至184 mW时,脉冲宽度从3.0 ps跳变为0.63 ps。其主要原因在于激光器的输出脉冲从多峰结构变成单峰结构,从图2(b2)中的三峰突变成图2(b3)中的单峰。图2(d1)~(d3)是相应恢复出的光谱和相位信息,可以看出,随着LD1输出抽运功率减小,激光器输出脉冲的光谱宽度逐渐增大。图2(e1)~(e3)为使用频谱分析仪(Agilent N9000A)在port 1端测得的对应频谱,激光器输出脉冲的频谱底部噪声随着抽运功率的减小而降低,但频谱信号的信噪比保持不变,均为57 dB。

图 2. (a) port 5端输出脉冲放大后脉冲宽度随LD1输出功率的变化;port 5端输出脉冲放大后,在LD1抽运输出功率为170,200,310 mW时测量得到的(b)光谱和相位曲线、(c) FROG曲线和(d)光谱和相位曲线;(e) port 1端分别在LD1抽运输出功率为170,200,310 mW时测量得到的频谱

Fig. 2. (a) Variation of pulse width at port 5 after amplifying with pump power of LD1; measured (b) spectra and phase curves, (c) FROG traces and (d) spectra and phase curves when pump power of LD1 is 170, 200, 310 mW; (e) measured frequency spectra when pump power of LD1 is 170, 200 and 310 mW at port 1

下载图片 查看所有图片

实验第二步采用共振增强式非线性折射率调制技术实现了该非线性环形镜锁模掺镱光纤激光器的重复频率锁定。为了尽量克服实验室内温度变化对重复频率锁定的影响,本课题组将激光器的光纤部分[范围如图1(a)中虚线框所示]置于一个恒温箱内。恒温箱温度保持在22 ℃,温控精度为0.1 ℃。LD2的静态工作点(初始功率)设定为75 mW。采用Allan方差对激光器重复频率锁定前后的采集数据进行分析。如图3(a)所示:激光器未锁定时,在2000 s的测试时间内激光器重复频率峰-峰值的波动范围为20 Hz,相应的标准偏差为6 Hz;锁定前的Allan方差随着积分时间增加而单调递增,在1 s积分时间内的Allan方差为0.17,在1000 s积分时间内的Allan方差增至2.05×10⁵。如图3(b)所示:当激光器重复频率锁定后,重复频率峰-峰值的波动范围小于0.4 mHz,相应的标准偏差为104 μHz;锁定后的Allan方差随着积分时间增加而单调递减,在1 s积分时间内的Allan方差为1.14×10^-8,在1000 s积分时间内的Allan方差降低至1.83×10^-12,表明反馈控制掺铒光纤的折射率已实现对重复频率的精确锁定。本实验中的重复频率锁定精度为104 μHz,略小于参考文献[ 23]中的160 μHz。

图 3. (a)激光器未锁定时的重复频率抖动曲线和Allan方差;(b)激光器锁定时的重复频率抖动曲线和频率Allan方差

Fig. 3. (a) Repetition frequency fluctuation curve and Allan variance when laser is unlocked; (b) repetition frequency fluctuation curve Allan variance when laser is locked

下载图片 查看所有图片

图 4. (a) port 5端激光器自由漂移时(黑色)和重复频率锁定时(红色)的单边带相位噪声;(b) port 5端激光器自由漂移时(黑色)和重复频率锁定时(红色)的相位噪声积分

Fig. 4. (a) SSB phase noise measured at port 5 when the repetition rate of the laser is free-running (black line) or locked (red line); (b) the integrated phase noise measured at port 5 when the repetition rate of the laser is free-running (black line) or locked (red line)

下载图片 查看所有图片

相位噪声是衡量频率稳定性的重要指标之一。本实验利用双通道互相关技术参考信号源方法和外差鉴相器方法测量了激光器锁定前后的单边带(SSB)相位噪声功率密度谱和相位噪声积分^[27]。如图4(a)所示,图中黑色曲线是激光器重复频率锁定前在port 5端测量的单边带相位噪声,红色曲线是激光器重复频率锁定后的单边带相位噪声。锁定前后的相位噪声曲线在频偏小于30 Hz区间内明显不同,表明锁相反馈控制部分的整体带宽小于100 Hz。结果表明,低频环境噪声通过该反馈控制方法可以得到有效抑制。当频偏超过30 Hz后,重复频率锁定前后的噪声没有明显差异,这一区域内的噪声主要由抽运噪声和量子噪声引起^[28]。以频偏1 Hz处的噪声为例,未锁定时的噪声为-39.29 dBc/Hz,锁定后的噪声为-76.47 dBc/Hz。图4(b)比较了锁定前后的相位噪声积分,重复频率锁定前,积分区间0.01 Hz~5 MHz内的相位噪声积分为2.5×10⁵ mrad,锁定后为379 mrad。下一步工作是采用高频器件(如电光调制器)进行高频噪声的抑制。

4 结论

采用NALM技术搭建了全保偏掺镱光纤激光器。通过在激光器非线性环内加入一个能提供线性相移的非互易性元件,有效减小了锁模脉冲的抽运阈值和腔内光纤长度。获得了20.48 MHz重复频率下的脉冲激光输出,最小输出脉宽为590 fs,输出平均功率为0.22 mW。结合共振增强式非线性折射率调制技术实现了重复频率的精确锁定,减小了激光器的低频噪声,获得了标准偏差为104 μHz的锁定精度。在未来的工作中可以进一步锁定激光器的载波包络相位,以实现全光纤结构的光学频率梳。