1主动锁模光纤激光器

主动锁模光纤激光器主要是指在激光腔内插入主动的调制器件（例如LINbO3调制器）或外界有相关脉冲注入,利用这些主动因素对激光腔内光波进行第I部分NPR被动锁模掺饵光纤激光器的研究调制来实现锁模,现在普遍使用的是M-Z型LINbO3波导电光调制器。除利用LINbO3电光调制器进行主动锁模外,近几年,人们又研制出几种不需要电光调制器的主动锁模激光器,主要有:基于半导体激光器的主动锁模光纤激光器和注入型主动锁模光纤激光器。

基于调制器的主动锁模光纤激光器

典型的主动锁模光纤激光器,它是一个环形腔结构,掺饵光纤放大器（Erbium一D叩edFiberAmPlifier,EDFA）提供腔内的增益。腔内主动的锁模器件是一个高速LINb03调制器（Medulator）,它对光波的调制方式有两种:一种是振幅调制（损耗调制）;另一种是相位调制。调制器在正弦电压信号驱动下产生周期性的损耗或是周期性的相位变化,这种周期性的变化与腔内循环的脉冲相互作用导致了锁模脉冲序列的产生。由于LINbO3调制器是偏振敏感元件,所以常在调制器前安置一个偏振控制器（PolarizationCo咖ller,PC）来调节入射到调制器的光场偏振态。可调谐滤波器（TunableFilter,TF）的作用是调节激光的中心波长。光隔离器（Isolator,150）被用来确保主动锁模掺饵光纤环形腔激光器处于单向运转,它也可消除某些光学元件上产生的反射波带给调制器的不利影响。延迟线可调节腔长使其与调制频率相匹配,并可有效的抑制超模噪声。腔内运行的锁模脉冲经光纤祸合器输出。直接调制的主动锁模光纤激光器输出脉冲的重复频率能够达到40GHz。利用有理数谐波锁模技术,主动锁模光纤激光器输出脉冲的重复频率可以达到80-200GHz。

用半导体激光器作调制器的主动锁模光纤激光器

基于半导体激光器的主动锁模光纤激光器是利用工作在闭值以下的半导体激光器取代调制器。半导体激光器通过环行器插入环形腔内,在RF信号驱动下,激光器的载流子密度发生周期性变化,从而折射率被调制,对环形腔内的振荡光场起到了强度调制器的作用,使各个纵模被锁定。1999年,香港中文大学K.T.Chan的研究小组用2.SGHz的驱动频率获得了ZOGHz的8阶有理数谐波锁模脉冲1521。2000年,他们的工作又取得了新的进展,获得了10GHz的谐波锁模脉冲,脉冲的超模噪声低而且功率很稳定。

22注入型主动锁模光纤激光器

注入型主动锁模光纤激光器主要是在全光通信系统中被用来提取时钟脉冲。注入型主动锁模光纤激光器有两种。种是利用行波半导体光放大器的非线性增益调制特性实现主动锁模。TW-SOA在注入光脉冲的作用下产生交叉增益饱和（eXchangeGainsaturation,XGS）效应或交叉相位调制（eXchangephasemodulation,XPM）效应,使环形腔内的光波受到周期性的相位和振幅调制,因而实现锁模。在这里,半导体光放大器既是增益介质,又起到了调制器的作用。

1999年,H.Avramopoulos的研究小组报道了用IOGHz注入脉冲产生的ZOG去肠锁模脉冲,激光波长在16nm范围内可调1541。2000年,他们又报道了能同时输出10个波长锁模脉冲的注入型主动锁模光纤激光器,脉冲重复频率为30GHz,脉宽为7Ps。在当年的OFc会议上,他们研制的锁模光纤激光器的性能提高到重复频率40GHz,调谐范围20nmI第二种注入型主动锁模是利用光纤的交叉相位调制效应进行主动锁模。工作原理是用腔内的一段单模光纤作为一个相位调制器,当向腔内注入波长为布的光脉冲序列时,该波长的光与光纤环形腔中波长为凡的信号光相互作用,形成交叉相位调制,由此对信号光凡产生周期性的相位调制,从而实现激光器的主动锁模。目前,利用这种结构已成功地从40Gb/s的信号脉冲中提取光时钟。

33主动锁模光纤激光器国内外研究进展

世界上*锁模激光器就是利用声光调制实现的主动锁模,1964年,Bell实验室的Hargrove,Fork和Pollack利用声光调制实现He-Ne激光器腔内模式的锁定,产生基频锁模的光脉冲tw。但是这种He-Ne气体激光器体积庞大,此后,随着英国南安普顿大学的增益光纤的快速发展,激光器变得更加小型化。1988年,德国TUHH的Geister和Urich实现*基于相位调制的主动锁模光纤激光器产生了重复频率29MHz,脉冲宽度90ps的锁模脉冲序列,脉冲能量大于15pJ。1989年,南安普顿大学的Hanna等人实现基于Yb:Er光纤的相位调制主动锁模产生脉冲宽度为70ps,中也波长1560nm,重复频率200MHz。同年,美国光谱物理公司（Spectra-Physics）的Kafka,Baer和康宁公司（Coming）的Hall共同实现了*基于强度调制的环形腔主动锁模光纤激光戳"I,并证明了孤子脉冲整形在主动锁模脉冲形成过程中起到决定性作用,激光器输出脉冲4ps,中屯、波长1530nm。1991年,南安普顿大学的LinKntong在光纤激光器中同时实现调Q和自锁模fwi,输出重复频率25MHz,脉冲宽度600ps的脉冲序列。由于主动锁模输出脉冲的优异性能,强速得到众多研究者的关注,下面分别介绍基于强度调制和相位调制的主动锁模光纤激光器的发展情况。（1）基于强度调制的商速超短脉冲产生1990年,NTT公司的Takada和Miyazawa利用15GHz射频信号调制激光器内强度调制器,采用谐波锁模的形式实现30GHz重复频率的脉冲序列脉冲接近变换极限,脉宽为7.6ps,光谱宽度0.5nm。日本NTT传输系统实验室的Takara实现更高重复频率的光脉冲脉冲宽度5ps,脉冲重复频率20GHz。1993年,Alcatel公司的Pfeiffer和Vei利用全保偏主动锁模光纤激光器产生重复频率40GHz,脉宽邸S的锁模脉冲序列,调节腔内光滤波器可将中波长移动43nm,这是当时重复频率高的可调谐主动锁模光纤激光器心。1994年,日本学者Nakazawa利用强度调制器实现再生锁模,将激光器拍频的谐波信号利用高速PD进行探测,再反馈调制强度调制器,输出10GHz孤子脉冲序列,脉冲宽度达到2.7ps,并且利用全保偏结构增强激光器的稳定性。1W5年,Nakazawa研究组进一步发展了再生锁懊气利用高Q值（Q约1000）的20GHz电滤波器,激光器输出重复频率20GHz,脉冲宽度的脉冲序列,结合色散渐减的接巧光纤放大器,脉冲可腔外压缩至172fs。1996年,Ahmed和Onodera在主动锁模光纤激光器内实现有理数谐波锁模I2气采用大约7GHz的调制频率,调制频率与基频谐波的频率不同,通过合理的调节这两个频率之间的差,得到重复频率为7GHz、14GHz和21G此的锁模脉冲序列。但是,这种锁模方式产生的脉冲脉冲串幅度不均衡、抖动大、稳定性较差。同年,Nakazawa研究组的Yoshida利用有理数谐波锁模的技术,利用40GHz射频驱动信号实现重复频率高达200GHz的脉冲序列美国海军研究实验室（NRL）研究组利用sigma腔光纤激光器隔离偏振态扰动引起的不稳定P3I,结合lOGHz驱动的马赫曾德尔强度调制器实现1.3ps的脉冲串。

1999年,Nakazawa研究姐利用强度调制再生锁模实现重复频率40GH/,脉冲宽度化9ps,波长调谐范围30nm的孤子脉冲序列,并采用锁相环技术控制激光器腔长抖动PW。2006年,美国中弗罗里达大学的Deify谢研究组利用低相噪微波源实现了脉冲抖动4.6fs的低噪声主动锁懊气2010年,该组锁相环控制射频驱动信号的方式,实现脉冲抖动2.2fs,重复频率lOGHz的主动锁模,这是当时相位噪声低的自稳定主动锁模激光器PS1。 

（2）基于相位调制的高速超短脉冲产生

1990年,英国电信研究实验室的Smi化等人利用相位调制实现了当时窄的主动锁模脉冲,脉宽为1.2ps,实验结果证明脉冲形成为孤子整形。1991年,英国斯*克莱德大学的Davey等人,控制腔内色散的条件下,利用相位调制主动锁模直接输化脉宽900fs,重复频率480MHz的孤子序列。

1992年,英国BlLaboratories的Shan等人利用相位调制器在基频2MHz的腔内实现重复频率2GHz、脉宽22ps的脉冲序列,并利用PZT结合反馈环路控制腔长,增强激光器长期稳定性。

1996年,Nakazawa研巧组实现基于相位调制的再生锁模,输出脉宽重复频率l0GHz的接近变换极限的锁模脉冲。并且对比了利用强度谓制实现再生锁模的结果,结果显示强度调制产生脉冲宽度窄于相位调制PSi。

1998年,日本通信研巧实验室的Abedin等人提出利用深度相位调制的方式,并且结合高精细度F-P滤波器选择相位调制产生的部分高阶边带,实现"高阶相位锁模",输出调制频率整数倍的脉冲序列口31。在1999年至2001年之间,Abedin用多个实验发展了高阶相位锁模,实验产生800fs变换极限脉冲序列,重复频率达到154GHz。但是,这种方式产生需要腔内插入自由光谱范围巧SR）等于调制频率谐波的高精细度F-P滤波器,并且需要对准。2000年,美国NUT的Yu和Haus等人利用相位调制再生锁模实现脉宽小于500fs,重频为IGHz的锁模脉冲序列,并利用非线性展宽产生大于300nm的高重频超。同年,Nakazawa研究姐利用相位调制实现重复频率40GHz,脉冲宽度850fs的主动锁模。 

2004年,加拿大渥太华大学的Yang利用相位调制实现重复频率40GHz,脉冲宽度l.:37ps的主动锁模。国内同样有需要研究组进行主动锁模光纤激光器的研究,然而国内研究较晚并且开创性的工作相对较少。1995年,清华大学的Lou Caiyun等人实现了脉宽24ps,重复频率为5GHz的主动锁模[W3。2003年,胡智勇等人搭建了复合腔的主动锁模光纤激光器,验证了基于符合腔的超模噪声抑制技术W。同年,清华大学彭巧等人利用强度调制器结合SOA实现脉宽lOGHz,谱宽0.4nm的孤子脉冲序列。2006年,清华大学Pan Shilong等人利用髙非线性光纤和窄带F-P滤波器抑制腔内增益竞争,实现70波长的同时激射,脉冲重复频率25GH。

除了利用调制器外,在不需要调制器的腔内同样可实现主动锁模,包括:半导体主动锁模光纤激光器呵日注入型锁模光纤激光器利用半导体光放大器（SOA）作为增益介质和调制器的主动锁模光纤激光器也可实现短脉冲源,在RF信号驱动下,半导体载流子密度发生周期性变化,从而折射率被调制形成对光场强度调制的作用。但是SOA的低饱和功率、离噪声系数和非线性效应使产生的脉冲光信噪比低,功率小同时具有较大的时间抖动和较低的重复频率。注入型锁模是将腔外的髙速脉冲注入到带有增益的腔内,通过使SOA的增益被调制,产生交叉增益饱和效化从而实现腔内模式锁定。这里SOA同样既是放大器件也是调制器件。利巧光纤的交叉相位调制（XPM）效应同样可实现注入型锁模口。此外,利用髙电压直接调制光纤产生的声光调制效应同样可实现主动锁模光纤激光器。

44主动锁模光巧激光器的应用

主动锁模光纤激光器产生20多年来,因其输出高速、超短脉冲的特性而被广泛应用,下面简要介绍近几年研究火热的应用

（1）高谱效率大容量光通信

基于Nyquist脉冲的大容量光通信系统具有非常髙的谱效率,Nyquist脉冲在不引起码间干涉的条件下可减小带宽,并且具有抵御离阶色散和偏振模色散的能力。用相干NyquistOTDM的传输方案可贼现单信道1.92Tbit/s,谱效率达到7.5bit/s/Hz。2014年,Nakazawa研究组成功实现奈奎斯特激光器（Nyquist laser）,利用再生锁模的结构产生Nyquist脉冲序列,相比于传统的CW调制方式,Nyquist激光器产生的脉冲序列具有更高的OSNR,是未来光通信系统的光源。

（2）超宽带信号处理

主动锁模可产生频域间隔为10GHz的多载波光源,对不同波长的脉冲信号分别进行调制,利用相干合成可W产生任意波形的脉冲信号,实现光任意波形产生 （OAWG）。美国UCLA的Jalali研究组利用锁模激光器作为脉冲源,利用坡长-时间映射实现超宽带的任意波形,该方案有能力产坐具有任意幅度、任意相位的毫米波。