多波长锁模脉冲光纤雷射器能够同时在不同波长上产生超短脉冲, 这在光感测、光学测量、微波光子学、光信号处理、太赫兹波产生和波分复用(WDM) 光传输系统等都有着非常重要的套用. 传统的孤子脉冲光纤雷射器由于反常群速度色散和非线性效应的共同作用可以产生稳定的孤子脉冲输出. 为了进一步提高雷射器锁模脉冲能量, 在雷射谐振腔中引进了正负色散两种光纤进行色散管理, 这样的展宽脉冲锁模光纤雷射器可以提高输出的单脉冲能量和平均输出功率. 为了获得更高能量的锁模脉冲, 人们研究出了输出脉冲具有很强线性啁啾的自相似脉冲光纤雷射器.全正色散光纤雷射器成为研究热点, 这是由于雷射腔内没有负色散的器件, 输出脉冲可以被去啁啾压缩到100 fs 量级. 全正色散光纤雷射器展现了与先前的锁模雷射器不同的脉冲形状和演化, 单脉冲的能量达到20 nJ 量级, 甚至更高. 已有报导表明, 使用半导体饱和吸收镜(SESAM) 锁模的掺铒光纤雷射器能够产生多波长耗散孤子脉冲, 相比于传统孤子或者色散管理孤子, 耗散孤子具有更高的脉冲能量. 然而, 由于在光纤雷射器中利用的是雷射腔本身固有双折射的缘故, 雷射器产生的双波长脉冲和三波长脉冲都是随机分布的. 另外,使用一个长周期光纤光栅作为雷射器谐振腔内的频谱滤波器, 雷射器可以调谐输出双波长锁模脉冲, 但是这种雷射器产生的双波长锁模脉冲的波长间隔是不能调节的. 最近的一个研究中, 在一个“8”字形、正净腔色散的掺铒光纤雷射器中观察到了双波长耗散孤子的产生, 详细的实验测量证实双波长锁模是由雷射腔双折射诱导的结果.

在多波长锁模脉冲光纤雷射器的理论研究中,有一种理论解释了多波长锁模脉冲的产生和锁模. 但是还没有对全正色散光纤雷射器产生多波长耗散孤子脉冲的工作特性进行理论分析. 在锁模光纤雷射器中产生的孤子分子(solitonmolecules) 是近几年超短脉冲研究中的热点. 孤子分子是由两个脉冲间隔为定值的脉冲所组成, 理论上已经证明了几种在锁模光纤雷射器中稳定输出的标量孤子分子, 但是目前还未在被动锁模光纤雷射器中实现包含有耗散孤子分子的多波长脉冲.

光纤雷射器如果能同时输出多个波长,则雷射器被称为多波长光纤雷射器。按工作机制可分为连续式多波长光纤雷射器和脉冲式多波长光纤雷射器。此类型在需要多个波长同时工作的系统中具有重要意义。例如在DWDM系统,利用一个多波长雷射器可以取代原来多个单波长雷射器同时工作,降低了系统的成本和複杂性。如果在雷射器中提供一种非均勾加宽机制,则腔内就可以形成多个波长同时谐振。目前,光纤雷射器产生多波长有很多方法:

1.利用调製器产生多波长。但是这种方法需要複杂的技术保证每个波长经过调製器时保持各个的相位同步。

2.利用非线性效应产生多波长。在高非线性光纤或者光子晶体光纤中产生四波混频或者受激布里渊散射。

3.利用非线性偏转效应产生多波长

4.利用多波长滤波器产生多波长。如级联光栅,取样光栅,偏振双折射光纤,多模光纤,马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer),萨格纳克干涉环(Sagnac loop mirror)等。上述技术在掺银光纤雷射器已经得到了广泛的套用,而且部分技术己经在掺镱光纤雷射器中实现了多波长输出,但是这些多波长光纤雷射器的研究报导基本上是普通脉冲锁模。基于耗散孤子锁模的多波长光纤雷射器却鲜有报导。这主要是因为设计频宽合适的多通道滤波器较困难,如果滤波器的频宽小于耗散孤子的光谱,将导致孤子崩塌。同时需要还足够大的栗浦功率来支持多个波长的耗散孤子的形成。

实验报导的多波长耗散孤子锁模雷射器的波长数最多为三个。新加坡南洋理工大学的H. Zhang等人在2009年首次在掺银光纤雷射器中产生了三波长耗散孤子。上海交通大学的Z. X. Zhang等人在2013年在掺镱光纤雷射器中产生了双波长耗散孤子。双波长耗散孤子光纤雷射器结构图,其在腔内接入长度为17.1 cm的保偏光纤(PMF),由于保偏光纤快慢轴方向的折射率差,偏振光经过PMF会产生一个固定相位差,PMF等效为一个梳状谱滤波器,滤波器的仿真透射谱,多通道滤波器的视窗为16.4 nm,通过调整PC可以调整滤波器视窗的位置,但滤波器视窗大小不变。

上述这些新技术的套用,使得脉冲光纤雷射器的研宄逐渐朝着四个方向快速发展:a)光脉冲的能量越来越高;b)光脉冲的宽度越来越窄;C)光?>脉冲的重複频率越来越高;d)光脉冲的波长数越来越多。

为了进一步提高通信容量,现代光纤WDM通信系统正朝着信道数越来越多的方向发展。最直接提供多路信号的方法就是採用多个单波长雷射器。但如果单纯地增加光源数量,势必会增加成本,因此性能稳定的多波长雷射器更为人们看好。多波长雷射器可以同时为多个信道提供所需光源,使光发射端的设计更为紧凑、经济,因而在密集波分复用系统中有很重要的用途。同时,性能优良的多波长光源在雷射测距、光谱分析和分布光纤感测等领域中也有极大的套用价值。所以,多波长雷射器的研製无疑具有重要的意义。

目前,多波长雷射器多採用多路光栅选频的半导体雷射器或半导体雷射器阵列来实现,但其工艺複杂,价格昂贵。经过多年的发展,光纤雷射器正日趋成熟,它的出现,为WDM系统提供了一种重要意义的新光源。DWDM通信系统要求多波长光源具有输出波长密集(通道波长间隔小),频宽大,线宽窄,功率谱平坦等特性,掺饵光纤雷射器比较适合製作用于DWDM系统的多波长光纤雷射器。

多波长掺饵光纤雷射器的实现形式多种多样,可对其大致分类如下:

1.直接利用掺饵光纤的增益特性,在谐振腔内插入梳状滤波器,通过液氮对掺饵光纤进行冷却来获得多波长雷射输出

在此类方法中,基于光纤光栅的Sganac干涉仪、取样光纤Brgag光栅和Fbayr-perot(F一p)标準具,以及光纤Mach一zehnder(M一z)干涉仪等都可以用作梳状滤波器。XuewneShu等人将一个FBG非对称的置于光纤asgnac环形镜中得到了一种结构简单的梳状滤波器,由其构成的光纤雷射器实现了3波长雷射输出。JongChow等人在环形腔光纤雷射器中用取样Brgag光栅实现了间隔1.nsm的5波长雷射输出;他们还用两个完全相同的光纤惆啾光栅製成宽频透射F一P滤波器,实现了间隔0.65nm的H波长的雷射输出。Yamashita5.等人用腔内F一P标準具製成了17波长的雷射器,波长间隔0.8nm。H.L.An等人利用双通的M一z干涉仪实现了9波长,波长间隔1.6nm的雷射输出。Namky。。Park等人利用一段保偏光纤进行选频得到了24个波长的输出。X.P.Dong等人则利用高双折射环镜做梳状滤波器得到了多波长的雷射输出。此种方法所面临的最大问题是掺饵光纤的均匀展宽问题。在常温下,掺饵光纤的均匀展宽线宽为11.nm。理论和实验研究表明,当多波长雷射器的输出波长间隔小于饵光纤的均匀展宽线宽时,不可避免地存在着严重的模式竞争和模式跳变问题,从而导致雷射器的输出频率特性十分複杂,输出功率也很不稳定。要提高多波长光纤雷射器的工作性能,使得多个波长的光波能较为稳定地同时振荡,就需要设法削弱这种均匀展宽效应。所以以上方法均採用了77K的液氮对掺饵光纤进行冷却,使掺饵光纤的均匀展宽降为1nm左右,但这种方法很难实现实用化。

2.在环形腔中引入移频器或相位调製器实现常温下稳定的多波长输出Bellem等人在环形腔中引入移频器获得了常温下稳定的多波长雷射输出I,由于反馈的光强经过腔内循环一周后被移动到了相邻的频率上去,不会造成一个波长上的连续增益放大而饱和,掺饵光纤的均匀展宽被极大地抑制。此后,KejinagZhou等人利用正弦相位调製器取代移频器,根据傅立叶展开可知,对光强的相位调製同样可使得光场的频率发生移动,因而同样实现了多波长雷射输出。

NoelMarna等人也分别用此种方法在掺饵光纤雷射器中得到了多波长的雷射输出。套用这种方法可以很方便地获得常温下稳定的多个波长输出,各波长之间的间隔可控,但具体的波长位置无法精确控制。

3.利用特殊结构的掺饵光纤来获得常温下稳定的多波长输出

Gryadno等人用双芯掺饵光纤(两芯间距4.5 m)製成环形腔雷射器,双芯掺饵光纤由相互平行、间距很小的两根纤芯组成。由于不同波长的光在两芯中的祸合周期不同,它们的强度分布也不一样,所以双芯掺饵光纤是非均匀展宽介质。设定纤芯的参数和光纤长度,在腔内可以有多个波长的雷射同时振荡,从而在室温下得到了3波长雷射的输出,波长间隔为0.8nm。套用这种方法可以获得常温下稳定的多个波长输出,但波长的个数、各波长之间的间隔等不能方便的进行控制,而且需要特殊的製作工艺来获得特殊结构的掺饵光纤,提高了整个雷射器的成本。

4.利用偏振烧孔效应来削弱不同波长的光对反转粒子数的竞争,也可以实现常温下多波长的稳定输出,这种条件下的多波长光纤雷射器大多具有“开关”特性.

利用各种非线性效应来获得常温下稳定的多波长输出

利用普通单模光纤或色散位移光纤中的布里渊散射(SBS),可在掺饵光纤雷射器中得到稳定的多波长输出。此类方法中,SBS提供窄频宽的增益,使布里渊散射波与泵浦波之间存在由光纤中声速决定的精确的频移量,在1.5nm波段,其频移量为10GHz。而EDF提供线性增益来补偿谐振腔的损耗,对布里渊信号进行放大,以提高多波长信号的输出功率。此类多波长光纤雷射器虽然在室温下就能稳定工作,但是用来产生SBS效应的泵浦源一可调谐DFB雷射器价格昂贵,使整个雷射器的成本居高不下。

另外,利用四波混频(FWM)这种非线性效应也可获得稳定的多波长输出。uxemnigLiu等人将一段高非线性光子晶体光纤插入腔内,利用光子晶体光纤中的FWM效应克服EDF中的模式竞争,并和EDF的增益相结合,在掺饵光纤雷射器中得到了稳定的双波长输出。

可开关多波长光纤雷射器的研究进展

这些结构中,不同波长的激射具有相同的泵浦闽值,很难调整或控制某一特定波长的性质。然而,在一些诸如感测、仪器测试的套用中,要求雷射能够从一波长调到另一波长,或同时输出多个波长,即雷射器具有可开关性能。这种雷射器需要在多波长光纤雷射器的基础上加入“开关”特性来有效控制各波长的产生。为满足此种需求,几种结构新颖的可关多波长光纤雷射器(MW一FLS)相继出现。

可开关多波长光纤雷射器在实现多波长的基础上能够分别控制各个波长的性质,所以,对应不同波长的雷射输出应存在某种不同特性,从而可通过调整这种特性达到雷射输出可开关的目的。依据产生多波长激射的方法,将可开关多波长光纤雷射器基本分为两类:一是利用不同的腔体产生不同波长的激射;二是利用偏振烧孔效应产生不同波长的激射。

利用不同的腔体来产生不同波长的激射

利用不同的腔体来产生不同波长的激射,可方便地对不同波长的激射分别进行控制。根据是否共用增益介质可分为两类:利用不同的增益介质形成交叠腔产生不同波长的激射;利用共同增益介质、不同腔体产生不同波长的激射。

(1)利用不同的增益介质形成交叠腔产生不同波长的激射

QingheMoa等人利用三个级联光纤光栅的交叠腔结构得到了可开关三波长的掺饵光纤雷射器,各种状态下雷射输出功率的差异小于1.8dBm。可变光衰减器可以用来调整腔损耗。腔内的增益钳制效应及模式竞争效应的强度依赖于腔内损耗、EDF的长度以及泵浦情况,所以,腔损耗、EDF的长度经过最佳化后,通过调整泵浦功率的大小,雷射器可工作在任意一个单波长或两个、三个波长同时激射的状态。

(2)利用共同增益介质、不同腔体产生不同波长的激射L.Talaverano等人利用此结构得到了可开关四波长的输出,输出波长由四个FBGs确定,波长间隔可调。Yz.ux等人则利用同一段增益介质,在两个交叠F一P腔的情况下,得到了可开关双波长的雷射输出,波长间隔在0.35一23.5nm範围内可调。