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專(zhuān)家視點(diǎn)

鎖模光纖激光器可以同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)異步超短脈沖序列，作為低復(fù)雜度雙梳計(jì)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(gè)具有有限內(nèi)腔雙折射的偏振多路復(fù)用被動(dòng)鎖模光纖激光器的激光特性。通過(guò)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(wú)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(jiǎn)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(gè)梳齒間距略有不同的光學(xué)頻率梳可以實(shí)現(xiàn)雙梳計(jì)量應(yīng)用，如高分辨率光譜學(xué)和測(cè)距。由于基于兩個(gè)頻率穩(wěn)定的超快激光器的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被認(rèn)為過(guò)于復(fù)雜或具有技術(shù)挑戰(zhàn)性，因此，在過(guò)去幾年中，簡(jiǎn)化此類(lèi)系統(tǒng)的努力得到了加強(qiáng)。使用兩個(gè)自由運(yùn)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(bǔ)償它們的重復(fù)頻率漂移。研究發(fā)現(xiàn)，共用一個(gè)光學(xué)參量振蕩器腔對(duì)兩個(gè)自由運(yùn)行的種子激光器脈沖進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，可以減少兩個(gè)腔內(nèi)的隨機(jī)漂移，從而提高雙梳譜測(cè)量性能。在同一芯片上制作并工作的兩個(gè)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(guò)設(shè)置不同調(diào)制頻率，將連續(xù)波激光下的兩個(gè)電光梳進(jìn)行非線性光譜加寬，應(yīng)用于光譜測(cè)量。雖然可以靈活選擇中心波長(zhǎng)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(gè)種子腔而不是兩個(gè)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?yàn)槊}沖之間可能有更高程度的相互相干。在各種激光平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這種單腔雙梳光源的興趣越來(lái)越濃厚。利用雙波長(zhǎng)、雙向激光或非線性脈沖整形機(jī)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(shí)現(xiàn)了雙梳脈沖的產(chǎn)生。通過(guò)使用雙折射晶體在半導(dǎo)體圓盤(pán)激光器的腔內(nèi)空間分離光束路徑，實(shí)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(jiǎn)單的、可替代的雙梳源，已經(jīng)在多個(gè)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(duì)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(zhǎng)單腔雙梳源相比，它的輸出可以是光譜相干的，沒(méi)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(gè)偏振，人們對(duì)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(cè)到多個(gè)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。

實(shí)驗(yàn)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(jì)。圖1所示的雙梳鎖模激光器的設(shè)置包括一個(gè)全光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)，脈沖將在腔內(nèi)通過(guò)完全共徑路徑傳播而不是部分共享路徑。為了實(shí)現(xiàn)雙梳激光，研究人員在環(huán)形中放置一段保偏光纖（長(zhǎng)度為0.30 m，拍長(zhǎng)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(duì)同時(shí)形成多個(gè)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(zhǎng)的摻鉺光纖（Fibercore Er110）組成，由一個(gè)980 nm泵浦二極管通過(guò)波分復(fù)用器向前泵浦，在激光腔中有一個(gè)0.31 m長(zhǎng)的Hi-1060尾纖。采用偏振無(wú)關(guān)隔離器和偏振控制器分別保證單向運(yùn)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(shí)現(xiàn)了鎖模。雙梳由光耦合器耦合出激光器。對(duì)于激光輸出的偏振分辨測(cè)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(duì)齊。

為了研究不同色散狀態(tài)下的雙梳產(chǎn)生，研究人員對(duì)凈色散進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)腔內(nèi)單模光纖總長(zhǎng)度為 3.64 m時(shí)，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(huì)導(dǎo)致孤子運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)添加一段2.09 m長(zhǎng)色散補(bǔ)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。

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(shí)，激光器在69 mW泵功率時(shí)開(kāi)始自模鎖定。當(dāng)泵浦功率增加到91 mW后，通過(guò)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(cè)器直接測(cè)量時(shí)的示波器截圖。在100 μs的時(shí)間窗口內(nèi)，兩端放大波形中的脈沖對(duì)之間的時(shí)間間隔變化超過(guò)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(shí)，雙脈沖的（a）脈沖序列（b）光譜（c）頻譜（d）兩個(gè)偏振的脈沖序列以及（e）自相關(guān)跡。

實(shí)驗(yàn)中，激光輸出的光譜仍然呈現(xiàn)矢量孤子中常見(jiàn)的雙峰孤子形狀，如圖2(b)所示。用光電探測(cè)器和頻譜儀（Agilent E4404B）測(cè)量時(shí)，在44.1 MHz左右可以觀測(cè)到44.102951 MHz和44.103377 MHz的兩個(gè)頻率分量，與腔長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)，如圖2(c)所示。當(dāng)腔內(nèi)沒(méi)有保偏光纖時(shí)，研究人員沒(méi)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(guò)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(hào)最大，可以看到高頻信號(hào)相應(yīng)被抑制20 dB以上，但沒(méi)有被消除。在此條件下，Pol-2端口觀測(cè)到的射頻信號(hào)的其他頻率最大，如圖2(c)所示。這表明兩個(gè)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(shí)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(jì)。這表明這兩個(gè)脈沖都可能是偏振鎖定的矢量孤子。

在Pol-1和Pol-2測(cè)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(zhǎng)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(chǎng)分量之間的相干能量交換，在光譜中存在峰/谷對(duì)，例如，在1570 nm左右的形狀不同的峰/谷對(duì)，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(cè)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(gè)偏振幾乎正交的異步矢量孤子序列。

此外，通過(guò)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(shí)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(gè)側(cè)峰的位置相應(yīng)移動(dòng)。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(shí)，雙梳激光將停止，只留下一個(gè)脈沖序列振蕩。

圖3 重復(fù)頻率差變化時(shí)的（a）頻譜和（b）光譜。

對(duì)于許多潛在的雙梳應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(yùn)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(cè)激光輸出的重復(fù)頻率及其差。

當(dāng)采用色散補(bǔ)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(shí)，也可以產(chǎn)生兩個(gè)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(shí)間特征。由于腔長(zhǎng)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(cè)量它們?cè)诩す廨敵鰰r(shí)的自相關(guān)。通過(guò)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(qiáng)啁啾。因此，該光纖激光器實(shí)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(shí)現(xiàn)了偏振多路單腔雙梳源可以通過(guò)具有不可忽略雙折射的鎖模光纖激光器實(shí)現(xiàn)，可以觀察到大約幾百赫茲的相對(duì)較小的重復(fù)頻率差異，可以動(dòng)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(guò)腔內(nèi)色散設(shè)計(jì)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(jiǎn)單且易于實(shí)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(jiǎn)介