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1主動鎖模光纖激光器

主動鎖模光纖激光器主要是指在激光腔內(nèi)插入主動的調(diào)制器件（例如LINbO3調(diào)制器）或外界有相關(guān)脈沖注入,利用這些主動因素對激光腔內(nèi)光波進(jìn)行第I部分NPR被動鎖模摻餌光纖激光器的研究調(diào)制來實(shí)現(xiàn)鎖模,現(xiàn)在普遍使用的是M-Z型LINbO3波導(dǎo)電光調(diào)制器。除利用LINbO3電光調(diào)制器進(jìn)行主動鎖模外,近幾年,人們又研制出幾種不需要電光調(diào)制器的主動鎖模激光器,主要有:基于半導(dǎo)體激光器的主動鎖模光纖激光器和注入型主動鎖模光纖激光器。

基于調(diào)制器的主動鎖模光纖激光器

典型的主動鎖模光纖激光器,它是一個環(huán)形腔結(jié)構(gòu),摻餌光纖放大器（Erbium一D叩edFiberAmPlifier,EDFA）提供腔內(nèi)的增益。腔內(nèi)主動的鎖模器件是一個高速LINb03調(diào)制器（Medulator）,它對光波的調(diào)制方式有兩種:一種是振幅調(diào)制（損耗調(diào)制）;另一種是相位調(diào)制。調(diào)制器在正弦電壓信號驅(qū)動下產(chǎn)生周期性的損耗或是周期性的相位變化,這種周期性的變化與腔內(nèi)循環(huán)的脈沖相互作用導(dǎo)致了鎖模脈沖序列的產(chǎn)生。由于LINbO3調(diào)制器是偏振敏感元件,所以常在調(diào)制器前安置一個偏振控制器（PolarizationCo咖ller,PC）來調(diào)節(jié)入射到調(diào)制器的光場偏振態(tài)。可調(diào)諧濾波器（TunableFilter,TF）的作用是調(diào)節(jié)激光的中心波長。光隔離器（Isolator,150）被用來確保主動鎖模摻餌光纖環(huán)形腔激光器處于單向運(yùn)轉(zhuǎn),它也可消除某些光學(xué)元件上產(chǎn)生的反射波帶給調(diào)制器的不利影響。延遲線可調(diào)節(jié)腔長使其與調(diào)制頻率相匹配,并可有效的抑制超模噪聲。腔內(nèi)運(yùn)行的鎖模脈沖經(jīng)光纖禍合器輸出。直接調(diào)制的主動鎖模光纖激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率能夠達(dá)到40GHz。利用有理數(shù)諧波鎖模技術(shù),主動鎖模光纖激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率可以達(dá)到80-200GHz。

用半導(dǎo)體激光器作調(diào)制器的主動鎖模光纖激光器

基于半導(dǎo)體激光器的主動鎖模光纖激光器是利用工作在閉值以下的半導(dǎo)體激光器取代調(diào)制器。半導(dǎo)體激光器通過環(huán)行器插入環(huán)形腔內(nèi),在RF信號驅(qū)動下,激光器的載流子密度發(fā)生周期性變化,從而折射率被調(diào)制,對環(huán)形腔內(nèi)的振蕩光場起到了強(qiáng)度調(diào)制器的作用,使各個縱模被鎖定。1999年,香港中文大學(xué)K.T.Chan的研究小組用2.SGHz的驅(qū)動頻率獲得了ZOGHz的8階有理數(shù)諧波鎖模脈沖1521。2000年,他們的工作又取得了新的進(jìn)展,獲得了10GHz的諧波鎖模脈沖,脈沖的超模噪聲低而且功率很穩(wěn)定。

22注入型主動鎖模光纖激光器

注入型主動鎖模光纖激光器主要是在全光通信系統(tǒng)中被用來提取時鐘脈沖。注入型主動鎖模光纖激光器有兩種。種是利用行波半導(dǎo)體光放大器的非線性增益調(diào)制特性實(shí)現(xiàn)主動鎖模。TW-SOA在注入光脈沖的作用下產(chǎn)生交叉增益飽和（eXchangeGainsaturation,XGS）效應(yīng)或交叉相位調(diào)制（eXchangephasemodulation,XPM）效應(yīng),使環(huán)形腔內(nèi)的光波受到周期性的相位和振幅調(diào)制,因而實(shí)現(xiàn)鎖模。在這里,半導(dǎo)體光放大器既是增益介質(zhì),又起到了調(diào)制器的作用。

1999年,H.Avramopoulos的研究小組報道了用IOGHz注入脈沖產(chǎn)生的ZOG去腸鎖模脈沖,激光波長在16nm范圍內(nèi)可調(diào)1541。2000年,他們又報道了能同時輸出10個波長鎖模脈沖的注入型主動鎖模光纖激光器,脈沖重復(fù)頻率為30GHz,脈寬為7Ps。在當(dāng)年的OFc會議上,他們研制的鎖模光纖激光器的性能提高到重復(fù)頻率40GHz,調(diào)諧范圍20nmI第二種注入型主動鎖模是利用光纖的交叉相位調(diào)制效應(yīng)進(jìn)行主動鎖模。工作原理是用腔內(nèi)的一段單模光纖作為一個相位調(diào)制器,當(dāng)向腔內(nèi)注入波長為布的光脈沖序列時,該波長的光與光纖環(huán)形腔中波長為凡的信號光相互作用,形成交叉相位調(diào)制,由此對信號光凡產(chǎn)生周期性的相位調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)激光器的主動鎖模。目前,利用這種結(jié)構(gòu)已成功地從40Gb/s的信號脈沖中提取光時鐘。

33主動鎖模光纖激光器國內(nèi)外研究進(jìn)展

世界上*鎖模激光器就是利用聲光調(diào)制實(shí)現(xiàn)的主動鎖模,1964年,Bell實(shí)驗(yàn)室的Hargrove,Fork和Pollack利用聲光調(diào)制實(shí)現(xiàn)He-Ne激光器腔內(nèi)模式的鎖定,產(chǎn)生基頻鎖模的光脈沖tw。但是這種He-Ne氣體激光器體積龐大,此后,隨著英國南安普頓大學(xué)的增益光纖的快速發(fā)展,激光器變得更加小型化。1988年,德國TUHH的Geister和Urich實(shí)現(xiàn)*基于相位調(diào)制的主動鎖模光纖激光器產(chǎn)生了重復(fù)頻率29MHz,脈沖寬度90ps的鎖模脈沖序列,脈沖能量大于15pJ。1989年,南安普頓大學(xué)的Hanna等人實(shí)現(xiàn)基于Yb:Er光纖的相位調(diào)制主動鎖模產(chǎn)生脈沖寬度為70ps,中也波長1560nm,重復(fù)頻率200MHz。同年,美國光譜物理公司（Spectra-Physics）的Kafka,Baer和康寧公司（Coming）的Hall共同實(shí)現(xiàn)了*基于強(qiáng)度調(diào)制的環(huán)形腔主動鎖模光纖激光戳"I,并證明了孤子脈沖整形在主動鎖模脈沖形成過程中起到?jīng)Q定性作用,激光器輸出脈沖4ps,中屯、波長1530nm。1991年,南安普頓大學(xué)的LinKntong在光纖激光器中同時實(shí)現(xiàn)調(diào)Q和自鎖模fwi,輸出重復(fù)頻率25MHz,脈沖寬度600ps的脈沖序列。由于主動鎖模輸出脈沖的優(yōu)異性能,強(qiáng)速得到眾多研究者的關(guān)注,下面分別介紹基于強(qiáng)度調(diào)制和相位調(diào)制的主動鎖模光纖激光器的發(fā)展情況。（1）基于強(qiáng)度調(diào)制的商速超短脈沖產(chǎn)生1990年,NTT公司的Takada和Miyazawa利用15GHz射頻信號調(diào)制激光器內(nèi)強(qiáng)度調(diào)制器,采用諧波鎖模的形式實(shí)現(xiàn)30GHz重復(fù)頻率的脈沖序列脈沖接近變換極限,脈寬為7.6ps,光譜寬度0.5nm。日本NTT傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的Takara實(shí)現(xiàn)更高重復(fù)頻率的光脈沖脈沖寬度5ps,脈沖重復(fù)頻率20GHz。1993年,Alcatel公司的Pfeiffer和Vei利用全保偏主動鎖模光纖激光器產(chǎn)生重復(fù)頻率40GHz,脈寬邸S的鎖模脈沖序列,調(diào)節(jié)腔內(nèi)光濾波器可將中波長移動43nm,這是當(dāng)時重復(fù)頻率高的可調(diào)諧主動鎖模光纖激光器心。1994年,日本學(xué)者Nakazawa利用強(qiáng)度調(diào)制器實(shí)現(xiàn)再生鎖模,將激光器拍頻的諧波信號利用高速PD進(jìn)行探測,再反饋調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制器,輸出10GHz孤子脈沖序列,脈沖寬度達(dá)到2.7ps,并且利用全保偏結(jié)構(gòu)增強(qiáng)激光器的穩(wěn)定性。1W5年,Nakazawa研究組進(jìn)一步發(fā)展了再生鎖懊氣利用高Q值（Q約1000）的20GHz電濾波器,激光器輸出重復(fù)頻率20GHz,脈沖寬度的脈沖序列,結(jié)合色散漸減的接巧光纖放大器,脈沖可腔外壓縮至172fs。1996年,Ahmed和Onodera在主動鎖模光纖激光器內(nèi)實(shí)現(xiàn)有理數(shù)諧波鎖模I2氣采用大約7GHz的調(diào)制頻率,調(diào)制頻率與基頻諧波的頻率不同,通過合理的調(diào)節(jié)這兩個頻率之間的差,得到重復(fù)頻率為7GHz、14GHz和21G此的鎖模脈沖序列。但是,這種鎖模方式產(chǎn)生的脈沖脈沖串幅度不均衡、抖動大、穩(wěn)定性較差。同年,Nakazawa研究組的Yoshida利用有理數(shù)諧波鎖模的技術(shù),利用40GHz射頻驅(qū)動信號實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率高達(dá)200GHz的脈沖序列美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）研究組利用sigma腔光纖激光器隔離偏振態(tài)擾動引起的不穩(wěn)定P3I,結(jié)合lOGHz驅(qū)動的馬赫曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器實(shí)現(xiàn)1.3ps的脈沖串。

1999年,Nakazawa研究姐利用強(qiáng)度調(diào)制再生鎖模實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率40GH/,脈沖寬度化9ps,波長調(diào)諧范圍30nm的孤子脈沖序列,并采用鎖相環(huán)技術(shù)控制激光器腔長抖動PW。2006年,美國中弗羅里達(dá)大學(xué)的Deify謝研究組利用低相噪微波源實(shí)現(xiàn)了脈沖抖動4.6fs的低噪聲主動鎖懊氣2010年,該組鎖相環(huán)控制射頻驅(qū)動信號的方式,實(shí)現(xiàn)脈沖抖動2.2fs,重復(fù)頻率lOGHz的主動鎖模,這是當(dāng)時相位噪聲低的自穩(wěn)定主動鎖模激光器PS1。 

（2）基于相位調(diào)制的高速超短脈沖產(chǎn)生

1990年,英國電信研究實(shí)驗(yàn)室的Smi化等人利用相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時窄的主動鎖模脈沖,脈寬為1.2ps,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明脈沖形成為孤子整形。1991年,英國斯*克萊德大學(xué)的Davey等人,控制腔內(nèi)色散的條件下,利用相位調(diào)制主動鎖模直接輸化脈寬900fs,重復(fù)頻率480MHz的孤子序列。

1992年,英國BlLaboratories的Shan等人利用相位調(diào)制器在基頻2MHz的腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率2GHz、脈寬22ps的脈沖序列,并利用PZT結(jié)合反饋環(huán)路控制腔長,增強(qiáng)激光器長期穩(wěn)定性。

1996年,Nakazawa研巧組實(shí)現(xiàn)基于相位調(diào)制的再生鎖模,輸出脈寬重復(fù)頻率l0GHz的接近變換極限的鎖模脈沖。并且對比了利用強(qiáng)度謂制實(shí)現(xiàn)再生鎖模的結(jié)果,結(jié)果顯示強(qiáng)度調(diào)制產(chǎn)生脈沖寬度窄于相位調(diào)制PSi。

1998年,日本通信研巧實(shí)驗(yàn)室的Abedin等人提出利用深度相位調(diào)制的方式,并且結(jié)合高精細(xì)度F-P濾波器選擇相位調(diào)制產(chǎn)生的部分高階邊帶,實(shí)現(xiàn)"高階相位鎖模",輸出調(diào)制頻率整數(shù)倍的脈沖序列口31。在1999年至2001年之間,Abedin用多個實(shí)驗(yàn)發(fā)展了高階相位鎖模,實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生800fs變換極限脈沖序列,重復(fù)頻率達(dá)到154GHz。但是,這種方式產(chǎn)生需要腔內(nèi)插入自由光譜范圍巧SR）等于調(diào)制頻率諧波的高精細(xì)度F-P濾波器,并且需要對準(zhǔn)。2000年,美國NUT的Yu和Haus等人利用相位調(diào)制再生鎖模實(shí)現(xiàn)脈寬小于500fs,重頻為IGHz的鎖模脈沖序列,并利用非線性展寬產(chǎn)生大于300nm的高重頻超。同年,Nakazawa研究姐利用相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率40GHz,脈沖寬度850fs的主動鎖模。 

2004年,加拿大渥太華大學(xué)的Yang利用相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率40GHz,脈沖寬度l.:37ps的主動鎖模。國內(nèi)同樣有需要研究組進(jìn)行主動鎖模光纖激光器的研究,然而國內(nèi)研究較晚并且開創(chuàng)性的工作相對較少。1995年,清華大學(xué)的Lou Caiyun等人實(shí)現(xiàn)了脈寬24ps,重復(fù)頻率為5GHz的主動鎖模[W3。2003年,胡智勇等人搭建了復(fù)合腔的主動鎖模光纖激光器,驗(yàn)證了基于符合腔的超模噪聲抑制技術(shù)W。同年,清華大學(xué)彭巧等人利用強(qiáng)度調(diào)制器結(jié)合SOA實(shí)現(xiàn)脈寬lOGHz,譜寬0.4nm的孤子脈沖序列。2006年,清華大學(xué)Pan Shilong等人利用髙非線性光纖和窄帶F-P濾波器抑制腔內(nèi)增益競爭,實(shí)現(xiàn)70波長的同時激射,脈沖重復(fù)頻率25GH。

除了利用調(diào)制器外,在不需要調(diào)制器的腔內(nèi)同樣可實(shí)現(xiàn)主動鎖模,包括:半導(dǎo)體主動鎖模光纖激光器呵日注入型鎖模光纖激光器利用半導(dǎo)體光放大器（SOA）作為增益介質(zhì)和調(diào)制器的主動鎖模光纖激光器也可實(shí)現(xiàn)短脈沖源,在RF信號驅(qū)動下,半導(dǎo)體載流子密度發(fā)生周期性變化,從而折射率被調(diào)制形成對光場強(qiáng)度調(diào)制的作用。但是SOA的低飽和功率、離噪聲系數(shù)和非線性效應(yīng)使產(chǎn)生的脈沖光信噪比低,功率小同時具有較大的時間抖動和較低的重復(fù)頻率。注入型鎖模是將腔外的髙速脈沖注入到帶有增益的腔內(nèi),通過使SOA的增益被調(diào)制,產(chǎn)生交叉增益飽和效化從而實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)模式鎖定。這里SOA同樣既是放大器件也是調(diào)制器件。利巧光纖的交叉相位調(diào)制（XPM）效應(yīng)同樣可實(shí)現(xiàn)注入型鎖模口。此外,利用髙電壓直接調(diào)制光纖產(chǎn)生的聲光調(diào)制效應(yīng)同樣可實(shí)現(xiàn)主動鎖模光纖激光器。

44主動鎖模光巧激光器的應(yīng)用

主動鎖模光纖激光器產(chǎn)生20多年來,因其輸出高速、超短脈沖的特性而被廣泛應(yīng)用,下面簡要介紹近幾年研究火熱的應(yīng)用

（1）高譜效率大容量光通信

基于Nyquist脈沖的大容量光通信系統(tǒng)具有非常髙的譜效率,Nyquist脈沖在不引起碼間干涉的條件下可減小帶寬,并且具有抵御離階色散和偏振模色散的能力。用相干NyquistOTDM的傳輸方案可賊現(xiàn)單信道1.92Tbit/s,譜效率達(dá)到7.5bit/s/Hz。2014年,Nakazawa研究組成功實(shí)現(xiàn)奈奎斯特激光器（Nyquist laser）,利用再生鎖模的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生Nyquist脈沖序列,相比于傳統(tǒng)的CW調(diào)制方式,Nyquist激光器產(chǎn)生的脈沖序列具有更高的OSNR,是未來光通信系統(tǒng)的光源。

（2）超寬帶信號處理

主動鎖模可產(chǎn)生頻域間隔為10GHz的多載波光源,對不同波長的脈沖信號分別進(jìn)行調(diào)制,利用相干合成可W產(chǎn)生任意波形的脈沖信號,實(shí)現(xiàn)光任意波形產(chǎn)生 （OAWG）。美國UCLA的Jalali研究組利用鎖模激光器作為脈沖源,利用坡長-時間映射實(shí)現(xiàn)超寬帶的任意波形,該方案有能力產(chǎn)坐具有任意幅度、任意相位的毫米波。