稀土离子掺杂光纤孤子激光器-《非线性光学与光子学》研究成果

自20世纪90年代以后有关孤子激光器的研制，主要集中在发展以稀土离子掺杂玻璃光纤为增益介质的器件方面。而其中又以掺铒（Er3+）光纤为增益介质的孤子激光器最为受到重视，这是因为这一类激光器的发射波长可在1.55～1.57 μm范围内调谐，并且可采用波长不同的多种激光源进行有效泵浦。可采用的泵浦源包括出自半导体二极管激光器或者掺钛蓝宝石激光器发出的980 nm辐射［34～36］、出自Nd：YAG激光器的1 064 nm辐射［37］、出自半导体二极管激光器的1 480 nm辐射等［38］。除此之外，近来也曾有利用掺镱（Yb3+）光纤作增益介质制成孤子激光器的研究报道，此时激光器发射波长在1 040～1 050 nm范围可调谐，而采用波长为980 nm的连续激光迸行泵浦［39～41］。

对稀土离子掺杂光纤孤子激光器有两种基本要求。首先，在以连续激光束对增益光纤进行泵浦的前提下，激光器必须工作在锁模状态；其次，一段具有恰当长度并具有负GVD特性的非增益光纤，应包含在激光器的振荡回路中以形成时间孤子。在连续波光学泵浦条件下，实现激光锁模振荡的方法可以是通过恰当的调制器产生主动式锁模［42～44］、通过恰当的可饱和吸收体产生被动式锁模［40，41，45］，或者通过初始起振不稳定性以及与光纤回路有关的非线性反应而产生自锁模［46～49］。在这三种可能的运转状态下，有效的锁模频率可以是由腔长决定的锁模基本频率的任意正整数倍，而锁模基频则由激光在共振腔内往返一周所需时间的倒数所决定。许多实验的报道已表明，这一类孤子激光器的输出脉冲重复频率可高达10 GHz或以上，而输出脉冲的准确波长可以通过置于腔内的光谱选择元件加以调谐。

图12-12、图12-13为以增益光纤为基础的孤子激光器的4种代表性的结构设计。在所有这些结构中，掺杂增益光纤的长度通常为几米量级，而具有负GVD的标准光纤的长度，可以从几米到几百米；外界泵浦光束则可经由一种波分复用（WDM）耦合器而输入到增益光纤之中。

图12-12　由两面反射镜组成共振腔的光纤孤子激光器设计（a）以及由一面反射镜与一段光纤回路组成共振腔的设计（b）

图12-13　由单一封闭环状回路组成的光纤孤子激光器结构（a）以及由两个光纤环状回路耦合而成的孤子激光器结构（b）(www.xing528.com)

图12-12（a）中两段光纤串联在一个由两面反射镜所构成的线状共振腔之内，这种结构在实质上等同于本节开始介绍过的初始孤子激光器的设计，不同的是以前的色心增益晶体被目前的掺杂增益光纤所代替。后期报道的以掺镱（Yb3+）光纤为增益介质制成的孤子激光器，即是以这种结构方式进行运转的，它们产生波长为1040 nm和脉宽为600～800 fs的激光输出，按平均输入和输出功率计算的孤子激光产生效率可达5%以上［40，41］。

图12-12（b）中的激光器结构，原理与上述结构相类似，只是其中一个腔反射镜，被一个环状光纤回路所取代；后者一方面起着反馈的作用，同时又起着输出耦合的作用。如图所示，在光纤耦合反馈回路中通常含有一个光学隔离器，用来保证单向光路循环。以这种结构为基础的掺铒（Er3+）光纤孤子激光器，通常可产生1～2 ps的脉冲输出［44，45］。然而，也曾有过输出脉冲宽度仅为380 fs，而激光效率为0.4%的实验报道［46］。

图12-13（a）是一种被更多采用的光纤孤子激光器的结构设计，其主要特点是整个激光器组成了一个封闭的环形振荡回路，其中不需任何一个外加反射镜［42，43，47］。在此设计下，激光振荡可以N=1的基本孤子形式发生，故对腔内所含的负GVD光纤段的长度不敏感［50］。此外，诸多实验结果表明，在输出脉冲时间宽度为Δτ=1～2 ps的情况下，由这一时宽与所测脉冲频谱宽度所决定的乘积ΔτΔv=0.32～0.36；这些测得的乘积数值，相当接近于理论上按sech2型孤子脉冲计算求得的相应乘积（0.315）。实际上，激光器输出稳定性有时会受到机械震动和环境温度起伏的影响，但这些影响可以通过自动稳定腔长或调节锁模频率等方法而加以消除［51，52］。

图12-13（b）所示光纤孤子激光器结构的特点，是它由两个光纤回路耦合连接而成，组成了一个类似8字形的整体振荡回路［53］。将这种设计用于掺铒光纤激光器的实验表明，只有当增益光纤回路中串接一段具有负GVD特性的光纤之后，才可能观察到超短激光的脉冲输出［53，54］。利用这种结构制成的孤子激光器的输出脉冲宽度可窄至290～320 fs，时间和频谱宽度乘积可为0.32～0.34［48，54］。由于掺铒光纤的光谱增益宽度可达35 nm左右（频宽为150 cm-1左右），则由傅里叶变换限制的最小脉宽有可能达到80 fs左右［48］。

图12-13所示的光学隔离器是用来确保整个或部分振荡回路中激光脉冲的单向行进行为。它们的工作原理是基于法拉第效应，它们可以工作在对偏振敏感的（依赖于由双折射引起的偏振面旋转）状态，也可以工作在对偏振不敏感的（依赖于由双折射引起的光束方向偏折）状态。此外，在图中所示光路中标明的光纤偏振控制器（PC），则是一种特殊的机械装置，可对一段光纤施加力学的压力或张力而产生人为的双折射，从而改变光纤中信号光束的偏振状态。这种偏振控制器不仅为偏振敏感的隔离器和调制器所必需，而且在启动和调节最佳锁模状态方面起不可缺少的作用。

图12-13所示的两种结构，均可用于制作全光纤集成式孤子激光器，亦即不需要采用任何外部的块状光学元件，从而具有稳定、紧凑和坚固耐用的优点。