多模光纖在超短脈沖激光領(lǐng)域的新應(yīng)用

趙倩倩,彭繼迎,余 錦,鄭 義

(1.北京交通大學(xué)理學(xué)院激光研究所,北京 100044； 2.中國科學(xué)院光電研究院,北京 100094)

1 引 言

多模光纖(MMF)的出現(xiàn)要早于單模光纖(SMF),然而,直到最近多模光纖才重新引起人們的關(guān)注。這是由于光纖中復(fù)雜的非線性效應(yīng)一直是困擾研究者的難題,通常情況下,人們都希望將其簡化,而單模光纖的高帶寬和簡單的結(jié)構(gòu)特性則能夠為研究帶來便利。但隨著人們對復(fù)雜光纖光學(xué)現(xiàn)象研究的不斷深入以及實際應(yīng)用需求的不斷提升,單模光纖已經(jīng)不能滿足要求。例如,受制于單模光纖較細(xì)的芯徑,光纖激光器(放大器)的能量受到限制[1]。因此研究人員開始考慮使用多模光纖,實現(xiàn)多種時空非線性現(xiàn)象,如多模孤子形成[2-3]、多模色散[4]、時空不穩(wěn)定性[5-7]和經(jīng)典波凝聚[8]等,從而對未來高功率光纖器件的產(chǎn)生提供了新的視角。本文總結(jié)了國內(nèi)外基于多模光纖的鎖模激光器、新型鎖模器件、非線性自凈效應(yīng)的研究進(jìn)展以及原理,同時也討論了目前存在的問題及未來的發(fā)展趨勢。

2 基于多模光纖增益的鎖模激光器

長期以來,光纖鎖模激光器的增益光纖多采用單模光纖,鎖模是基于同一橫模場中的多縱模鎖定。目前在縱模的控制及縱模鎖定形成超短脈沖方面取得巨大進(jìn)展,但是在縱模-橫模相干疊加的研究方面很少有人關(guān)注。然而近期的研究報道了以多模光纖為增益介質(zhì)的鎖模激光器,實現(xiàn)了橫模和縱模的相干疊加、共同鎖定,稱為時-空鎖模。

2017年,Wright等人[9]首次實現(xiàn)了多模光纖激光器時空鎖模。在實驗中,作者結(jié)合理論模擬,首先搭建了第一種腔體(如圖1所示),將少模增益光纖拼接到漸變折射率多模光纖上,利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)作為超快飽和吸收體,多模場與增益光纖輸入和帶通干涉濾波器的重疊來進(jìn)行空間濾波和光譜濾波,實現(xiàn)多模光纖激光鎖模輸出,其中少模光纖的使用消除了激光增益的相互作用。作者隨后搭建了第二種腔體(如圖2所示),并考慮了橫向增益相互作用存在的情況,在第一種腔體的基礎(chǔ)上,使用高度多模的漸變折射率光纖作為增益光纖,利用同樣的方式,實現(xiàn)了時-空鎖模脈沖。

圖1 少模光纖與漸變折射率多模光纖拼接的諧振腔示意圖

圖2 完全基于多模增益光纖的諧振腔示意圖

2018年,Wang等人[10]報道了使用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)作為調(diào)制器的多模銩光纖鎖模激光器,輸出功率受到SESAM損傷閾值的限制,其最大輸出功率和脈沖能量分別為10.6 W和551 nJ。

上述多模光纖鎖模激光器的報道具有開創(chuàng)性意義,為光纖鎖模激光器的發(fā)展開辟了新的方向,但尚未實現(xiàn)高功率輸出和高效的時-空鎖模,沒有真正發(fā)揮出多模光纖鎖模激光器相對于單模光纖鎖模激光器的優(yōu)勢。

3 全光纖鎖模器件

光纖激光器的鎖模方式主要有主動鎖模和被動鎖模,通常采用被動鎖模方式來獲得寬度更窄的超短脈沖,而決定鎖模性能的關(guān)鍵器件是可飽和吸收體(SAs)。目前包括半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)[11]、碳納米管[12]、和二維納米材料[13]等都已廣泛應(yīng)用于鎖模,但是它們存在損傷閾值低、材料性質(zhì)不穩(wěn)定等缺點。另外還有基于非線性光學(xué)效應(yīng)的等效可飽和吸收體,例如非線性偏振旋轉(zhuǎn)[14]和非線性環(huán)形鏡[15],這些方式雖然提高了損傷閾值,但容易受環(huán)境影響、性能不穩(wěn)定且不容易控制。

為了克服以上器件的缺點,基于多模光纖的非線性效應(yīng)給鎖模光纖激光器帶來了新的生機(jī),研究得出了新型全光纖鎖模器件[16-22]。

2013年,Nazemosadat和Mafi首次對非線性多模干涉進(jìn)行了理論分析[16],提出單模光纖-漸變折射率多模光纖-單模光纖(SMF-GIMF-SMF)結(jié)構(gòu)的光纖器件(如圖3所示)可作為SA來實現(xiàn)激光鎖模。然而分析表明,實驗中需要精確控制SMF-GIMF-SMF結(jié)構(gòu)中GIMF的長度,這就導(dǎo)致在制備方面有一定難度。

圖3 SMF-GIMF-SMF 結(jié)構(gòu)的示意圖

2016年,Jung等人[17]用單模光纖、長度35.6 mm的空芯光纖(NCF)和單模光纖制備了基于多模干涉的可飽和吸收體(如圖4(a)所示)。在制備時,在空芯光纖表面沉積了碲化鉍,使光纖內(nèi)振蕩的激光會在多模干涉帶通波長下實現(xiàn)被動鎖模。該器件的插入損耗為3.4 dB,不僅可用為可飽和吸收體,還可作為波長固定濾波器,實現(xiàn)了如圖4(b)所示的鎖模摻銩光纖激光器,其中心波長和3 dB帶寬分別為～1958 nm和～3.3 nm,脈寬～46 ps,重復(fù)頻率～8.58 MHz。

(a)

(b)

2017～2019年中國計量大學(xué)的研究者通過引入第四段光纖和制造一個微腔的方式消除了對漸變折射率多模光纖(GIMF)長度的限制,并實現(xiàn)了鎖模輸出[18-22],提供了基于非線性多模干涉制作可飽和吸收器更靈活的方法。

2017年,Wang等[18]通過引入階躍折射率多模光纖(SIMF),構(gòu)成單模光纖-階躍折射率多模光纖-漸變折射率多模光纖-單模光纖(SMF-SIMF-GIMF-SMF)結(jié)構(gòu)如圖5所示,該器件調(diào)制深度為3.16 %和2.43 μJ/cm2的低飽和強(qiáng)度。通過將該結(jié)構(gòu)引入光纖環(huán)形激光腔如圖6所示,獲得了中心波長為1560 nm、脈寬為446 fs的鎖模輸出脈沖,平均功率為0.15 mW,重復(fù)頻率為11.73 MHz。Li等人[19]同樣設(shè)計了SMF-SIMF-GIMF-SMF結(jié)構(gòu)的鎖模器件如圖7所示,將其應(yīng)用于圖8的摻銩光纖激光器中,實驗中獲得波長為1888 nm的穩(wěn)定鎖模激光脈沖輸出,脈寬1.4 ps,重復(fù)頻率19.82 MHz,光譜寬度3.6 nm,信噪比為60 dB。此外還實現(xiàn)了調(diào)諧范圍從1835 nm延伸到1886 nm的可調(diào)諧波長鎖模。這是首次利用SMF-SIMF-GIMF-SMF光纖器件作為可飽和吸收體實現(xiàn)2 μm光譜區(qū)域中的鎖模激光。

圖5 SMF-SIMF-GIMF-SMF結(jié)構(gòu)的示意圖

圖6 基于SIMF-GIMF結(jié)構(gòu)的摻鉺鎖模光纖激光器原理圖

圖7 SMF-SIMF-GIMF-SMF結(jié)構(gòu)的示意圖

圖8 基于SMF-SIMF-GIMF-SMF結(jié)構(gòu)的摻銩光纖激光鎖模原理圖

2018年,Yang等[20]基于SMF-GIMF-SMF結(jié)構(gòu),利用氫氟酸在GIMF的端面蝕刻形成一個微腔(如圖9、10、11所示)。當(dāng)該結(jié)構(gòu)彎曲到一定狀態(tài)時,調(diào)制深度為1.9 %,飽和強(qiáng)度為6.81 μJ/cm2。同樣,該結(jié)構(gòu)對GIMF的長度也沒有限制。基于這樣的可飽和吸收體,在如圖12的摻鉺光纖激光器中獲得中心波長為1558 nm、重復(fù)頻率為14.34 MHz且脈沖寬度為528 fs的鎖模脈沖。

圖9 設(shè)備制作的原理圖

圖10 設(shè)備樣本的顯微鏡圖像

圖11 SMF-GIMF-SMF結(jié)構(gòu)示意圖

圖12 摻鉺光纖激光器的實驗裝置

2019年,Zhu等[21]將以前引入的SIMF替換為空芯光纖(NCF),構(gòu)成一種新的全光纖飽和吸收體(如圖13所示),其調(diào)制深度為4.57 %,飽和強(qiáng)度為1.92 μJ/cm2。與SIMF相比,NCF具有擴(kuò)大模場直徑的優(yōu)勢,且該結(jié)構(gòu)對NCF和GIMF的長度都沒有限制。這種飽和吸收體支持各種類型的孤子形成:通過改變腔參數(shù),不僅產(chǎn)生了單脈沖穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)和緊束縛孤子,而且通過拉伸NCF-GIMF結(jié)構(gòu)器件實現(xiàn)了從1567.48 nm到1576.20 nm的可調(diào)諧孤子對。Wang等[22]同樣利用如圖13(b)所示的空芯光纖和漸變折射率多模光纖的混合結(jié)構(gòu)同時作為可飽和吸收體和高精度可調(diào)諧光譜濾波。基于NCF-GIMF的可飽和吸收體具有4.7 %的調(diào)制深度和0.14 μJ/cm2的可飽和強(qiáng)度。通過拉伸SA器件實現(xiàn)對頻譜濾波器帶寬的直接控制,產(chǎn)生的脈沖寬度從7.7 ps到23 ps不等。

圖13 摻鉺光纖激光原理圖

與傳統(tǒng)的鎖模器件相比,基于非線性多模干涉的全光纖鎖模器件具有更高的峰值功率水平和瞬時響應(yīng)時間的優(yōu)勢,而且其成本低,結(jié)構(gòu)簡單,力學(xué)性能好,光學(xué)特性易于控制,特別是拉伸時可調(diào)波長和可控制調(diào)制深度,體現(xiàn)了全光纖鎖模器件的優(yōu)異性能。文獻(xiàn)[18]～[22]對基于全光纖鎖模器件的光纖激光器進(jìn)行了8～24 h的穩(wěn)定性測試,結(jié)果顯示其具有良好的長期穩(wěn)定性。

4 非線性自凈效應(yīng)

多模光纖激光的鎖模需要實現(xiàn)橫模和縱模的相干疊加、共同鎖定,即時-空鎖模。而目前研究中所使用的都是基于傳統(tǒng)的鎖模方式,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作不穩(wěn)定。多模光纖的非線性自凈效應(yīng),或許可以給多模光纖激光器的有效模式控制(尤其是橫模控制)提供解決方案,有助于多模光纖激光時-空鎖模的實現(xiàn)。

2016年,Liu等人[23]報道了在正常色散情況下,將飛秒脈沖入射到漸變折射率多模光纖中的實驗結(jié)果,隨著脈沖能量的增加,光纖的輸出端的近場光束由散斑演變?yōu)殓娦?同時也證明了這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于高階模的非線性不穩(wěn)定性。2017年,Krupa等人對該現(xiàn)象進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)激光在多模光纖中傳輸時,并沒有產(chǎn)生預(yù)期的由于線性干涉導(dǎo)致的激光散斑現(xiàn)象,而是出現(xiàn)了激光的光束整形、高階模激光向基模的耦合,最終實現(xiàn)準(zhǔn)單模輸出[24],這就是所謂的非線性自凈效應(yīng)(如圖14、15所示)。

圖14 多模光纖的線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)對比圖

圖15 自凈效應(yīng)的演變過程

這種特殊的效應(yīng)不同于基于拉曼散射和布里淵散射的光束凈化,因為在這個過程中激光功率低于拉曼效應(yīng)產(chǎn)生的閾值,沒有產(chǎn)生光譜的非線性頻移；發(fā)生在正常色散區(qū),而且以往的光束整形都需要改變輸入條件(光纖彎曲、入射角度等),而基于自凈效應(yīng)的光束整形不用改變輸入條件,依然可以產(chǎn)生。能量向基模的集中,并非是多模干涉增強(qiáng)的后果,而是能量向基模的非互易性耦合,更為重要的是不僅僅是能量集中,相干性也沒有減弱,保持了很高的光子簡并度(如圖16所示)。

圖16 自凈效應(yīng)后的光束相干性

2019年,Krupa等人[25]研究了非線性漸變折射率多模光纖中光束自清潔區(qū)域的非線性偏振動力學(xué)。文中通過實驗證明,導(dǎo)致克爾誘導(dǎo)光束自凈的復(fù)雜非線性模式混合伴隨著非線性復(fù)極化效應(yīng)。當(dāng)光束在光纖中線性傳輸時,測量表示線性極化的輸入泵浦光束幾乎去極化,在接近閾值的功率下部分地再極化實現(xiàn)自凈。此外,作者還觀察到了自凈光束非線性偏振旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。這種效應(yīng)可用于實現(xiàn)基于鎖模激光器的超快飽和吸收。

非線性自凈效應(yīng)的獨特性質(zhì),決定了其在超短脈沖的傳輸、脈沖整形、脈寬壓縮等方面有著重要的潛在應(yīng)用。

5 總結(jié)與展望

多模光纖的非線性特性正在逐步被探索,成為多個領(lǐng)域的研究熱點。本文介紹了基于多模光纖的鎖模激光器、全光纖鎖模器件和非線性自凈效應(yīng)。但其中也存在一些有待解決的問題,例如目前的多模光纖鎖模激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鎖模脈沖不穩(wěn)定、輸出功率低,還需探索新的鎖模方式才能真正體現(xiàn)出多模光纖激光器的優(yōu)勢；全光纖鎖模器件的研究只針對于單模增益光纖的激光器；多模非線性自凈效應(yīng)的機(jī)理還沒有得到驗證。而且,目前對于這三者的研究相互獨立,因此如何將其有機(jī)結(jié)合、并用于實現(xiàn)大功率多模光纖鎖模激光器,是值得人們進(jìn)一步研究的課題。