專家視點

鎖模光纖激光器可以同時產(chǎn)生兩個異步超短脈沖序列，作為低復(fù)雜度雙梳計量應(yīng)用的替代光源，具有很好的應(yīng)用前景。在此，趙欣等 人研究了一個具有有限內(nèi)腔雙折射的偏振多路復(fù)用被動鎖模光纖激光器的激光特性。通過在非 保偏單模腔中引入一段保偏光纖，研究人員獲得了具有近似正交偏振態(tài)的雙異步脈沖。脈沖重復(fù)頻率差達(dá)數(shù)百赫茲，光譜重疊良好，具有典型的偏振鎖定矢量孤子特征。研究表明，無論是在反常色散還是正常色散情況下，都可以得到重復(fù)率差較小的雙矢量孤子或雙耗散矢量孤子。這種偏振復(fù)用的單腔雙梳激光器可以應(yīng)用在需要簡單的雙梳系統(tǒng)解決方案中 。該工作發(fā)表在 Photonics Research 上。

Xin Zhao, Ting Li, Ya Liu, Qian Li and Zheng Zheng, Polarization-multiplexed, dual-comb all-fiber mode-locked laser, Photonics Research 6(9): 853-857 (2018).

兩個梳齒間距略有不同的光學(xué)頻率梳可以實現(xiàn)雙梳計量應(yīng)用，如高分辨率光譜學(xué)和測距。由于基于兩個頻率穩(wěn)定的超快激光器的傳統(tǒng)實現(xiàn)被認(rèn)為過于復(fù)雜或具有技術(shù)挑戰(zhàn)性，因此，在過去幾年中，簡化此類系統(tǒng)的努力得到了加強。使用兩個自由運行的鎖模激光器，數(shù)字相位校正算法或自適應(yīng)采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以補償它們的重復(fù)頻率漂移。研究發(fā)現(xiàn)，共用一個光學(xué)參量振蕩器腔對兩個自由運行的種子激光器脈沖進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換，可以減少兩個腔內(nèi)的隨機漂移，從而提高雙梳譜測量性能。在同一芯片上制作并工作的兩個鎖模波導(dǎo)激光器或非線性微諧振器的輸出被證明具有足夠的相互相干性，適用于某些具有大梳齒間距的雙梳應(yīng)用。通過設(shè)置不同調(diào)制頻率，將連續(xù)波激光下的兩個電光梳進(jìn)行非線性光譜加寬，應(yīng)用于光譜測量。雖然可以靈活選擇中心波長和梳齒間距，但它們的梳齒間距和光譜帶寬之間可能存在折衷。

然而，直接從一個種子腔而不是兩個種子腔產(chǎn)生雙梳脈沖似乎是一種有吸引力和有希望的方法，因為脈沖之間可能有更高程度的相互相干。 在各種激光平臺上實現(xiàn)這種單腔雙梳光源的興趣越來越濃厚。利用雙波長、雙向激光或非線性脈沖整形機制，幾種從模型鎖定光纖激光器產(chǎn)生異步超短脈沖的方案已經(jīng)被證明。在雙向振蕩的鈦藍(lán)寶石激光器和雙向泵浦的微諧振器中也實現(xiàn)了雙梳脈沖的產(chǎn)生。通過使用雙折射晶體在半導(dǎo)體圓盤激光器的腔內(nèi)空間分離光束路徑，實現(xiàn)了正交偏振雙梳的產(chǎn)生。這種具有異步脈沖發(fā)射的單腔雙梳光源作為簡單的、可替代的雙梳源，已經(jīng)在多個雙梳應(yīng)用中展示了其潛力。其中，復(fù)雜性低、能量效率高的光纖激光器梳齒間距相對較小，光譜覆蓋潛力較大。

除了上述的雙梳光纖激光器方案外，偏振多路復(fù)用輸出的激光源還可以在相同的光譜窗口內(nèi)產(chǎn)生正交偏振態(tài)的雙脈沖。與目前主要研究的雙梳應(yīng)用的雙波長單腔雙梳源相比，它的輸出可以是光譜相干的，沒有固有的帶寬限制。由于保偏光纖激光器發(fā)出的光只有一個偏振，人們對由標(biāo)準(zhǔn)單模光纖組成的傳統(tǒng)鎖模光纖激光器產(chǎn)生的脈沖的偏振狀態(tài)進(jìn)行了大量的研究。研究表明，在具有弱腔內(nèi)雙折射（由腔內(nèi)殘余光纖/分量雙折射引入）的光纖激光器中，在反常凈腔色散和正常凈腔色散下分別可以產(chǎn)生矢量孤子和耗散矢量孤子。此外，研究人員還觀測到多個偏振正交的矢量孤子的同步振蕩，可能是由于激光的空間增益燒空效應(yīng)造成的 。

01

實驗裝置

與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖激光器或保偏光纖激光器相比，研究人員采用部分雙折射設(shè)計。圖1所示的雙梳鎖模激光器的設(shè)置包括一個全光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)，脈沖將在腔內(nèi)通過完全共徑路徑傳播而不是部分共享路徑。為了實現(xiàn)雙梳激光，研究人員在環(huán)形中放置一段保偏光纖（長度為0.30 m，拍長約為4 m），這將引入一些有限但相當(dāng)大的雙折射，導(dǎo)致不同偏振狀態(tài)的脈沖具有顯著的群速度差異，對同時形成多個異步矢量孤子起著至關(guān)重要的作用。其余部分由0.38 m長的摻鉺光纖（Fibercore Er110）組成，由一個980 nm泵浦二極管通過波分復(fù)用器向前泵浦，在激光腔中有一個0.31 m長的Hi-1060尾纖。采用偏振無關(guān)隔離器和偏振控制器分別保證單向運行和控制偏振演化。利用光學(xué)沉積法制備的單壁碳納米管飽和吸收體實現(xiàn)了鎖模。雙梳由光耦合器耦合出激光器。對于激光輸出的偏振分辨測量，在偏振控制器之后使用偏振分束器將光分成兩臂，分別表示為Pol-1和Pol-2。偏振控制器用于調(diào)整輸出的偏振狀態(tài)與偏振分束器軸的對齊。

為了研究不同色散狀態(tài)下的雙梳產(chǎn)生，研究人員對凈色散進(jìn)行調(diào)整。 當(dāng)腔內(nèi)單模光纖總長度為 3.64 m時，凈腔群速度色散約為-0.084 ps 2 。其中，摻鉺光纖、Hi-1060、保偏光纖和單模光纖在1550 nm處的群速度色散參數(shù)分別為12.2、-7.0、-23.8和-21.7 p m 2 /km。凈負(fù)群速度色散會導(dǎo)致孤子運轉(zhuǎn)。通過添加一段2.09 m長色散補償光纖 （群速度色散為48.5 p m 2 /km）和0.24 m單模光纖尾纖，凈腔群速度色散可移至 0.013 ps 2 ，從而產(chǎn)生耗散孤子。

圖1 偏振復(fù)用雙梳光纖激光器原理圖。

02

雙梳全光纖鎖模激光器

當(dāng)激光器在反常凈群速度色散下工作時，激光器在69 mW泵功率時開始自模鎖定。當(dāng)泵浦功率增加到91 mW后，通過適當(dāng)調(diào)整腔內(nèi)偏振態(tài)，可以在示波器（Agilent MSO 7054A）上觀察到附加的脈沖序列。圖2(a)顯示了當(dāng)激光輸出由光電探測器直接測量時的示波器截圖。在100 μs的時間窗口內(nèi)，兩端放大波形中的脈沖對之間的時間間隔變化超過1 ns。這表明脈沖的重復(fù)率略有不同。

圖2 當(dāng)激光器在雙矢量孤子狀態(tài)下工作時，雙脈沖的（a）脈沖序列（b）光譜（c）頻譜（d）兩個偏振的脈沖序列以及（e）自相關(guān)跡。

實驗中，激光輸出的光譜仍然呈現(xiàn)矢量孤子中常見的雙峰孤子形狀，如圖2(b)所示。用光電探測器和頻譜儀（Agilent E4404B）測量時，在44.1 MHz左右可以觀測到44.102951 MHz和44.103377 MHz的兩個頻率分量，與腔長度相對應(yīng)，如圖2(c)所示。當(dāng)腔內(nèi)沒有保偏光纖時，研究人員沒有觀察到這種異步脈沖激光。為了進(jìn)一步表征激光輸出，它被外部偏振分束器分成兩部分。通過在偏振分束器前調(diào)整偏振控制器，使Pol-1低頻重復(fù)頻率的射頻信號最大，可以看到高頻信號相應(yīng)被抑制20 dB以上，但沒有被消除。在此條件下，Pol-2端口觀測到的射頻信號的其他頻率最大，如圖2(c)所示。這表明兩個脈沖序列可以有接近正交的偏振態(tài)，盡管它們都不是線偏振態(tài)。從示波器得到的脈沖序列的時間形狀，如圖2(d)所示。它們的振幅均勻，脈間調(diào)制可以忽略不計。這表明這兩個脈沖都可能是偏振鎖定的矢量孤子。

在Pol-1和Pol-2測得的光譜，如圖2(b)所示。 可以觀察到，除了一些小的光譜特征外，它們的光譜形狀非常相似。Pol-1和Pol-2的中心波長分別為1558.9和1558.7 nm左右，相差約0.2 nm。它們的3 dB帶寬也很相似，分別為3.2 nm和3.4 nm，輸出功率分別為635 μW和490 μW。由于不同場分量之間的相干能量交換，在光譜中存在峰/谷對，例如，在1570 nm左右的形狀不同的峰/谷對，是矢量孤子的典型特征。雙脈沖的自相關(guān)跡也由自制的自相關(guān)器測量，如圖2(e)所示。如果假設(shè)脈沖形狀為sech 2 ，則它們的3-dB脈沖寬度分別為約804 fs和713 fs。考慮到光譜帶寬，激光工作在雙矢量孤子狀態(tài)，產(chǎn)生兩個偏振幾乎正交的異步矢量孤子序列。

此外，通過調(diào)整腔內(nèi)偏振控制器，可改變重復(fù)頻率差。 圖3顯示了重復(fù)頻率差從228 Hz調(diào)諧到773 Hz時的射頻和光譜。 考慮到隔離器等元件引入的雙折射的存在，重復(fù)頻率差的調(diào)諧主要是由于腔內(nèi)復(fù)合雙折射的變化造成的。 這也可以看作是光譜上兩個側(cè)峰的位置相應(yīng)移動。 值得注意的是，當(dāng)偏振控制器調(diào)整到更低的重復(fù)頻率差時，雙梳激光將停止，只留下一個脈沖序列振蕩。

圖3 重復(fù)頻率差變化時的（a）頻譜和（b）光譜。

對于許多潛在的雙梳應(yīng)用來說，在重復(fù)頻率差異中保持良好穩(wěn)定性的能力是至關(guān)重要的。圖4顯示了監(jiān)控的重復(fù)率及其差異。在這種情況下，重復(fù)頻率差的頻率為578 Hz。然而，自由運行的激光脈沖重復(fù)頻率明顯如預(yù)期的那樣漂移，重復(fù)頻率差保持穩(wěn)定，均方根僅為38 mHz。

圖4 監(jiān)測激光輸出的重復(fù)頻率及其差。

當(dāng)采用色散補償光纖使激光器的凈色散變?yōu)檎氨闷止β试O(shè)置在 73 mW以上時，也可以產(chǎn)生兩個異步脈沖串。圖5（a）所示的雙梳輸出的頻譜現(xiàn)在具有典型的耗散孤子的形狀。Pol-1和Pol-2的帶寬分別為5 nm和4.1 nm。根據(jù)圖5(b)和圖5(c)，它們顯示出相似的極化和時間特征。由于腔長增加，重復(fù)頻率分別為29.445086 MHz和29.445341 MHz， 重復(fù)頻率差為255 Hz。像許多其他的耗散孤子激光器一樣，不可能直接測量它們在激光輸出時的自相關(guān)。通過130 m和180 m標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后，壓縮后分別得到1 ps和1.3 ps的自相關(guān)跡（假設(shè)sech2形狀）[圖5(d)]。這顯示了激光脈沖的強啁啾。因此，該光纖激光器實現(xiàn)了偏振復(fù)用、雙耗散矢量孤子的產(chǎn)生。

圖5 在雙耗散矢量孤子狀態(tài)下，脈沖的光譜（a）頻譜（b）脈沖序列（c）和自相關(guān)跡（壓縮后）（d）。

綜上所述，研究人員提出并實現(xiàn)了偏振多路單腔雙梳源可以通過具有不可忽略雙折射的鎖模光纖激光器實現(xiàn)，可以觀察到大約幾百赫茲的相對較小的重復(fù)頻率差異，可以動態(tài)調(diào)整。研究表明，在不同色散狀態(tài)下，可以產(chǎn)生具有相同光譜窗口的不同光帶寬和脈沖寬度的雙梳脈沖，通過腔內(nèi)色散設(shè)計可以進(jìn)一步探索直接產(chǎn)生帶寬進(jìn)一步增大的雙梳脈沖。由于它與廣泛研究的光纖環(huán)形激光器相似，這種簡單且易于實現(xiàn)的激光配置可以進(jìn)一步應(yīng)用于雙梳應(yīng)用。

研究人員簡介

趙欣，北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院副教授，研究方向為光電信息技術(shù)、超快光學(xué)、集成光子學(xué)及微波光子學(xué)等。

鄭錚，北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授，研究方向為光通信與光網(wǎng)絡(luò)、微納光電信息技術(shù)、超快與非線性光子技術(shù)、生物光子技術(shù)及光電信息系統(tǒng)。