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1主動鎖模光纖激光器

主動鎖模光纖激光器主要是指在激光腔內插入主動的調制器件（例如LINbO3調制器）或外界有相關脈沖注入,利用這些主動因素對激光腔內光波進行第I部分NPR被動鎖模摻餌光纖激光器的研究調制來實現鎖模,現在普遍使用的是M-Z型LINbO3波導電光調制器。除利用LINbO3電光調制器進行主動鎖模外,近幾年,人們又研制出幾種不需要電光調制器的主動鎖模激光器,主要有:基于半導體激光器的主動鎖模光纖激光器和注入型主動鎖模光纖激光器。

基于調制器的主動鎖模光纖激光器

典型的主動鎖模光纖激光器,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調制器（Medulator）,它對光波的調制方式有兩種:一種是振幅調制（損耗調制）;另一種是相位調制。調制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沖相互作用導致了鎖模脈沖序列的產生。由于LINbO3調制器是偏振敏感元件,所以常在調制器前安置一個偏振控制器（PolarizationCo咖ller,PC）來調節入射到調制器的光場偏振態。可調諧濾波器（TunableFilter,TF）的作用是調節激光的中心波長。光隔離器（Isolator,150）被用來確保主動鎖模摻餌光纖環形腔激光器處于單向運轉,它也可消除某些光學元件上產生的反射波帶給調制器的不利影響。延遲線可調節腔長使其與調制頻率相匹配,并可有效的抑制超模噪聲。腔內運行的鎖模脈沖經光纖禍合器輸出。直接調制的主動鎖模光纖激光器輸出脈沖的重復頻率能夠達到40GHz。利用有理數諧波鎖模技術,主動鎖模光纖激光器輸出脈沖的重復頻率可以達到80-200GHz。

用半導體激光器作調制器的主動鎖模光纖激光器

基于半導體激光器的主動鎖模光纖激光器是利用工作在閉值以下的半導體激光器取代調制器。半導體激光器通過環行器插入環形腔內,在RF信號驅動下,激光器的載流子密度發生周期性變化,從而折射率被調制,對環形腔內的振蕩光場起到了強度調制器的作用,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沖1521。2000年,他們的工作又取得了新的進展,獲得了10GHz的諧波鎖模脈沖,脈沖的超模噪聲低而且功率很穩定。

22注入型主動鎖模光纖激光器

注入型主動鎖模光纖激光器主要是在全光通信系統中被用來提取時鐘脈沖。注入型主動鎖模光纖激光器有兩種。種是利用行波半導體光放大器的非線性增益調制特性實現主動鎖模。TW-SOA在注入光脈沖的作用下產生交叉增益飽和（eXchangeGainsaturation,XGS）效應或交叉相位調制（eXchangephasemodulation,XPM）效應,使環形腔內的光波受到周期性的相位和振幅調制,因而實現鎖模。在這里,半導體光放大器既是增益介質,又起到了調制器的作用。

1999年,H.Avramopoulos的研究小組報道了用IOGHz注入脈沖產生的ZOG去腸鎖模脈沖,激光波長在16nm范圍內可調1541。2000年,他們又報道了能同時輸出10個波長鎖模脈沖的注入型主動鎖模光纖激光器,脈沖重復頻率為30GHz,脈寬為7Ps。在當年的OFc會議上,他們研制的鎖模光纖激光器的性能提高到重復頻率40GHz,調諧范圍20nmI第二種注入型主動鎖模是利用光纖的交叉相位調制效應進行主動鎖模。工作原理是用腔內的一段單模光纖作為一個相位調制器,當向腔內注入波長為布的光脈沖序列時,該波長的光與光纖環形腔中波長為凡的信號光相互作用,形成交叉相位調制,由此對信號光凡產生周期性的相位調制,從而實現激光器的主動鎖模。目前,利用這種結構已成功地從40Gb/s的信號脈沖中提取光時鐘。

33主動鎖模光纖激光器國內外研究進展

世界上*鎖模激光器就是利用聲光調制實現的主動鎖模,1964年,Bell實驗室的Hargrove,Fork和Pollack利用聲光調制實現He-Ne激光器腔內模式的鎖定,產生基頻鎖模的光脈沖tw。但是這種He-Ne氣體激光器體積龐大,此后,隨著英國南安普頓大學的增益光纖的快速發展,激光器變得更加小型化。1988年,德國TUHH的Geister和Urich實現*基于相位調制的主動鎖模光纖激光器產生了重復頻率29MHz,脈沖寬度90ps的鎖模脈沖序列,脈沖能量大于15pJ。1989年,南安普頓大學的Hanna等人實現基于Yb:Er光纖的相位調制主動鎖模產生脈沖寬度為70ps,中也波長1560nm,重復頻率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*基于強度調制的環形腔主動鎖模光纖激光戳"I,并證明了孤子脈沖整形在主動鎖模脈沖形成過程中起到決定性作用,激光器輸出脈沖4ps,中屯、波長1530nm。1991年,南安普頓大學的LinKntong在光纖激光器中同時實現調Q和自鎖模fwi,輸出重復頻率25MHz,脈沖寬度600ps的脈沖序列。由于主動鎖模輸出脈沖的優異性能,強速得到眾多研究者的關注,下面分別介紹基于強度調制和相位調制的主動鎖模光纖激光器的發展情況。（1）基于強度調制的商速超短脈沖產生1990年,NTT公司的Takada和Miyazawa利用15GHz射頻信號調制激光器內強度調制器,采用諧波鎖模的形式實現30GHz重復頻率的脈沖序列脈沖接近變換極限,脈寬為7.6ps,光譜寬度0.5nm。日本NTT傳輸系統實驗室的Takara實現更高重復頻率的光脈沖脈沖寬度5ps,脈沖重復頻率20GHz。1993年,Alcatel公司的Pfeiffer和Vei利用全保偏主動鎖模光纖激光器產生重復頻率40GHz,脈寬邸S的鎖模脈沖序列,調節腔內光濾波器可將中波長移動43nm,這是當時重復頻率高的可調諧主動鎖模光纖激光器心。1994年,日本學者Nakazawa利用強度調制器實現再生鎖模,將激光器拍頻的諧波信號利用高速PD進行探測,再反饋調制強度調制器,輸出10GHz孤子脈沖序列,脈沖寬度達到2.7ps,并且利用全保偏結構增強激光器的穩定性。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,激光器輸出重復頻率20GHz,脈沖寬度的脈沖序列,結合色散漸減的接巧光纖放大器,脈沖可腔外壓縮至172fs。1996年,Ahmed和Onodera在主動鎖模光纖激光器內實現有理數諧波鎖模I2氣采用大約7GHz的調制頻率,調制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,得到重復頻率為7GHz、14GHz和21G此的鎖模脈沖序列。但是,這種鎖模方式產生的脈沖脈沖串幅度不均衡、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復頻率高達200GHz的脈沖序列美國海軍研究實驗室（NRL）研究組利用sigma腔光纖激光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制器實現1.3ps的脈沖串。

1999年,Nakazawa研究姐利用強度調制再生鎖模實現重復頻率40GH/,脈沖寬度化9ps,波長調諧范圍30nm的孤子脈沖序列,并采用鎖相環技術控制激光器腔長抖動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沖抖動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,實現脈沖抖動2.2fs,重復頻率lOGHz的主動鎖模,這是當時相位噪聲低的自穩定主動鎖模激光器PS1。 

（2）基于相位調制的高速超短脈沖產生

1990年,英國電信研究實驗室的Smi化等人利用相位調制實現了當時窄的主動鎖模脈沖,脈寬為1.2ps,實驗結果證明脈沖形成為孤子整形。1991年,英國斯*克萊德大學的Davey等人,控制腔內色散的條件下,利用相位調制主動鎖模直接輸化脈寬900fs,重復頻率480MHz的孤子序列。

1992年,英國BlLaboratories的Shan等人利用相位調制器在基頻2MHz的腔內實現重復頻率2GHz、脈寬22ps的脈沖序列,并利用PZT結合反饋環路控制腔長,增強激光器長期穩定性。

1996年,Nakazawa研巧組實現基于相位調制的再生鎖模,輸出脈寬重復頻率l0GHz的接近變換極限的鎖模脈沖。并且對比了利用強度謂制實現再生鎖模的結果,結果顯示強度調制產生脈沖寬度窄于相位調制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制的方式,并且結合高精細度F-P濾波器選擇相位調制產生的部分高階邊帶,實現"高階相位鎖模",輸出調制頻率整數倍的脈沖序列口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變換極限脈沖序列,重復頻率達到154GHz。但是,這種方式產生需要腔內插入自由光譜范圍巧SR）等于調制頻率諧波的高精細度F-P濾波器,并且需要對準。2000年,美國NUT的Yu和Haus等人利用相位調制再生鎖模實現脈寬小于500fs,重頻為IGHz的鎖模脈沖序列,并利用非線性展寬產生大于300nm的高重頻超。同年,Nakazawa研究姐利用相位調制實現重復頻率40GHz,脈沖寬度850fs的主動鎖模。 

2004年,加拿大渥太華大學的Yang利用相位調制實現重復頻率40GHz,脈沖寬度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激光器的研究,然而國內研究較晚并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,重復頻率為5GHz的主動鎖模[W3。2003年,胡智勇等人搭建了復合腔的主動鎖模光纖激光器,驗證了基于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制器結合SOA實現脈寬lOGHz,譜寬0.4nm的孤子脈沖序列。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,脈沖重復頻率25GH。

除了利用調制器外,在不需要調制器的腔內同樣可實現主動鎖模,包括:半導體主動鎖模光纖激光器呵日注入型鎖模光纖激光器利用半導體光放大器（SOA）作為增益介質和調制器的主動鎖模光纖激光器也可實現短脈沖源,在RF信號驅動下,半導體載流子密度發生周期性變化,從而折射率被調制形成對光場強度調制的作用。但是SOA的低飽和功率、離噪聲系數和非線性效應使產生的脈沖光信噪比低,功率小同時具有較大的時間抖動和較低的重復頻率。注入型鎖模是將腔外的髙速脈沖注入到帶有增益的腔內,通過使SOA的增益被調制,產生交叉增益飽和效化從而實現腔內模式鎖定。這里SOA同樣既是放大器件也是調制器件。利巧光纖的交叉相位調制（XPM）效應同樣可實現注入型鎖模口。此外,利用髙電壓直接調制光纖產生的聲光調制效應同樣可實現主動鎖模光纖激光器。

44主動鎖模光巧激光器的應用

主動鎖模光纖激光器產生20多年來,因其輸出高速、超短脈沖的特性而被廣泛應用,下面簡要介紹近幾年研究火熱的應用

（1）高譜效率大容量光通信

基于Nyquist脈沖的大容量光通信系統具有非常髙的譜效率,Nyquist脈沖在不引起碼間干涉的條件下可減小帶寬,并且具有抵御離階色散和偏振模色散的能力。用相干NyquistOTDM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激光器（Nyquist laser）,利用再生鎖模的結構產生Nyquist脈沖序列,相比于傳統的CW調制方式,Nyquist激光器產生的脈沖序列具有更高的OSNR,是未來光通信系統的光源。

（2）超寬帶信號處理

主動鎖模可產生頻域間隔為10GHz的多載波光源,對不同波長的脈沖信號分別進行調制,利用相干合成可W產生任意波形的脈沖信號,實現光任意波形產生 （OAWG）。美國UCLA的Jalali研究組利用鎖模激光器作為脈沖源,利用坡長-時間映射實現超寬帶的任意波形,該方案有能力產坐具有任意幅度、任意相位的毫米波。