主动锁模激光器的稳定性分析

高频率的超短光脉冲是实现光纤通信系统超高速、大容量传输的关键技术。在未来全光通信网可采用的光源中, 主动锁模光纤激光器是极具开发潜力的超短脉冲光源。主动锁模光纤激光器可输出高频率、近变换极限、宽带可调的超短脉冲, 因此被认为是未来远程无中继高速光纤通信系统的理想光发射源和光时钟源。但是, 主动锁模光纤激光器的稳定性问题始终没有得到完全解决, 使得超高速主动锁模光纤激光器走向实用化还有一段距离。主动锁模光纤激光器的腔长较长 (通常为几十到几百米) , 当外界环境条件发生变化时, 腔长容易受到机械震动及温度变化的影响而发生漂移。腔长的漂移、激光在谐振腔内偏振态的起伏、与谐波锁模技术相伴的超模噪声均会引起输出激光脉冲的不稳定, 严重时会造成激光器的失锁。因此, 如何稳定腔长成为主动锁模光纤激光器稳定工作的一个必须解决的问题。本文主要从长期不稳定性和短期不稳定性两方面分析了主动锁模光纤激光器的稳定性问题。

1 短期不稳定性

短期不稳定性的主要表现是:在腔长与调制频率严格匹配的情况下, 输出脉冲的幅度总是在不停的抖动。引起短期不稳定性的因素主要包括弛豫振荡和超模竞争。

1.1 弛豫振荡

损耗扰动、泵浦功率扰动、腔长漂移和偏振态的波动都会引起主动锁模光纤激光器的弛豫振荡。因为腔长和偏振态的变化会使调制器的调制效率发生变化, 从而使腔内平均等效损耗发生波动, 即引入了损耗扰动。由偏振扰动所引起的弛豫振荡无论在腔长与调制频率是否匹配时都会始终存在。腔长漂移对弛豫振荡的影响为:当腔长与调制频率匹配时, 脉冲每次经过调制器时都处于透射率最大处, 此时, 腔长扰动使光脉冲通过调制器时所产生的透射率波动最小, 故产生的弛豫振荡很小;反之, 一旦腔长发生漂移, 腔长扰动使光脉冲通过调制器时所造成的透射率波动会迅速增大, 从而使弛豫振荡加剧。

抑制弛豫振荡的措施首先保持腔长与调制频率的严格匹配, 这一点同时也是解决长期不稳定性的关键。其次选取泵浦功率高且稳定的泵浦源, 并选用掺杂浓度合适且均匀的掺铒光纤, 抑制腔内增益扰动。再次采用保偏系统克服偏振效应。偏振效应也是困扰主动锁模激光器的一个重大问题。除了温度变化因素外, 普通光纤都具有光纤偏振模色散 (PMD) , 腔内器件则同时具有偏振模色散和偏振相关损耗 (PDL) , 这会引起偏振态的随机改变和功率的随机起伏。最直接的解决方法就是采用全保偏系统, 包括保偏色散位移光纤 (DSF) , 保偏掺铒光纤 (EDF) , 保偏耦合器 (OC) 等。这种方法取得了很好的效果, 但是保偏器件比较昂贵, 相互之间也不易对准。实际上为了使系统在存在偏振效应的情况下仍然保持稳定, 可以采用腔。这种腔型结构[1,2,3]把保偏光纤和偏振器件, 如铌酸理调制器置于环内部分, 而把非保偏DSF, EDF等放在环外构成直通臂部分, 两个部分通过一个偏振分束器联系起来。直通臂部分的另一端含一个45°法拉第旋转器和一个全反镜, 作用是让通过直通臂的偏振光在往返过程中两次分别是以两种正交偏振态形式通过所有光纤和器件。优点是可以消除P M D带来的偏振影响, 输出不受直通臂上光纤和器件偏振扰动的影响, 可以有效提高激光器的稳定性。

1.2 超模竞争

主动锁模光纤激光器稳定工作时, 调制频率为纵模间隔的N倍, 激光器内的模式可以被分为约N组超模, 每一组超模是相互耦合的, 间隔为调制频率。多个超模会同时振荡, 并且会发生超模间的竞争, 称之为超模竞争。超模竞争会导致输出光脉冲振幅随时间抖动, 由此产生含有不规则的超模噪声光脉冲, 该噪声随着腔长的增加或调制频率的升高而增大。由超模噪声引起的脉冲幅度的抖动在有较高误码率要求的情况下是不允许的。因此, 为了使锁模光纤激光器稳定工作, 应该使其中的一组超模占优势, 而其它的超模则需抑制掉。

抑制超模竞争的措施主要是在腔内插入自由光谱区 (FSR) 等于锁模频率的F-P标准具。这种F-P标准具对精细度要求不高, 利用其在腔内的选模作用, 只要使得某一组超模的损耗始终小于其它超模, 从而使得这组超模在竞争中始终处于有利地位, 就能达到抑制超模噪声的作用, 一般精细度大于50就可以提供50dB以上的边模抑制比[4]。这种方法比较有效, 但F-P会引入较大的插损, 降低效率。除此之外抑制超模噪声还可以采用自相位调制频谱滤波法[5]、复合腔法[6]、压电陶瓷的特性[7]、基于半导体镜的双光子吸收法[8]。

2 长期不稳定性

在正常的工作环境中, 调制器调制频率与腔长严格匹配时, 主动锁模光纤激光器输出较好的波形, 但是工作一段时间后输出脉冲在时域上的波形逐渐变坏, 甚至消失。导致长期不稳定性的原因是光纤对外界环境非常敏感, 温度变化以及机械震动都会让光纤腔长发生变化, 会导致调制频率与腔长的不匹配。

腔长与调制频率的失谐主要来源于以下三个方面。

(1) 构成主动锁模光纤激光器谐振腔主体的光纤受温度变化或机械震动导致的腔长漂移。

(2) 光纤的折射率随温度的变化而改变, 从而导致等效腔长的漂移。

(3) 微波频率的漂移导致频率与腔长失谐。

长期不稳定性的危害与短期不稳定性相比更加严重。造成短期不稳定性的原因是各种扰动因素, 这些扰动因素幅度小, 而且具有“回复性”。造成长期不稳定性的原因, 如有效腔长的漂移和微波频率的漂移, 虽然变化缓慢但一旦失谐量达到一定程度, 激光器将完全失锁。短期不稳定性只是在脉冲幅度及时间上的抖动, 脉冲波形依然存在, 在实际通信系统中表现为误码率增加, 而长期不稳定性则是脉冲崩溃消失, 在实际通信系统中表现为通信中断。

2.1 再生锁模技术

再生锁模 (Regenerative mode-locking) 技术是一种驱动频率随腔长协变的方案, 整个系统无需外加时钟信号驱动, 完全依靠提取激光器内本征谐波频率成分作为调制信号。这种激光器内锁模的建立是一种正反馈过程, 施加在调制器上的驱动频率始终与腔内谐波频率一致, 锁相回路能够跟踪腔长变化引起的谐波频率漂移, 因此可以确保激光器长期不失锁, 而且原则上具备自启动的能力。从实际效果和目前的发展趋势来看, 再生锁模技术是现有最好的稳定技术, 具有真正实用价值。如图1是利用混频提取误差信号并通过反馈来控制腔长的方案示意图, 图中环行腔由普通光纤构成, 腔内一段几十米长的掺铒光纤绕在压电陶瓷 (PZT) 上, 通过改变PZT上的电压来控制腔长。输出光的一部分经PIN接收转换[9]成电信号后, 通过滤波器输出与调制频率相同的信号, 并与调制信号一同注入到混频器, 测出两信号间的相位差, 以此作为误差信号控制PZT上的电压, 使腔长与调制频率严格匹配。这种再生锁模光纤激光器的优点是环行腔由普通光纤构成, 因而比较经济, 压电陶瓷响应速度快, 能跟踪较快的频率漂移。其缺点是压电陶瓷的伸缩量不够大, 难以在长时间工作情况下, 补偿较大的腔长漂移。此外由压电陶瓷伸缩给光纤所造成的应力易引起腔内偏振态的扰动。采用混频提取误差信号反馈控制腔长实现再生锁模的控制电路要复杂些, 工作频率多属微波范围。

如图1所示。

另一种方案就是以弛豫震荡作为误差信号控制腔长实现再生锁模。对于这种方案, 腔长变化成为引起弛豫震荡的主要原因。由于弛豫震荡频率分量对腔长变化极为敏感, 可以用输出信号中的弛豫震荡频率分量作为误差信号来控制腔长。当腔长与调制频率匹配时, 输出信号中的弛豫震荡频率分量和超模竞争引起的拍频分量均很小。而一旦腔长发生漂移, 腔长与调制频率的匹配状态遭到破坏, 以上两个分量会迅速变大。利用弛豫震荡来控制腔长的优点是在使用保偏光纤时, 弛豫震荡在保偏光纤环行激光器中对腔长扰动响应灵敏, 动态跟踪效果好。弛豫震荡频率通常处在低频率范围。

3 结语

本文主要研究了主动锁模光纤激光器的稳定性问题。包括短期不稳定性和长期不稳定性。分析了短期不稳定性和长期不稳定性的表现形式和产生原因。文章主要从长期不稳定性和短期不稳定性两方面分析了主动锁模光纤激光器的稳定性问题。介绍了弛豫振荡、超模噪声的解决方案。同时阐述了再生锁模技术控制腔长的方案。

摘要：主动锁模光纤激光器是未来远程超高速光纤通信系统的理想光发射源和光时钟源。主动锁模光纤激光器的腔长较长, 当外界环境条件发生变化时, 腔长容易受到机械震动及温度变化的影响而发生漂移。本文主要从长期不稳定性和短期不稳定性两方面分析了主动锁模光纤激光器的稳定性问题。介绍了弛豫振荡、超模噪声的解决方案。同时阐述了再生锁模技术控制腔长的方案, 对主动锁模激光器的实验研究有一定的参考意义。

关键词：光纤激光器,主动锁模,稳定性,再生锁模

参考文献

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[4] J.Shan, J.Goldhar, and G.L.Burdge.Actively harmonic modelocking of an Erbium fiber Laser with intracavity Fabry-Perot filters[J].Lightwave.Technol., 1997, 15 (7) :1171～1180.

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[9] 王林, 于晋龙, 马晓红, 等.采用拍频反馈控制调制频率实现再生锁模光纤激光器研究[J].光通信研究, 1999, 96 (6) :55～57.