偏振复用双梳全光纤锁模激光器

专家视点

锁模光纤激光器可以同时产生两个异步超短脉冲序列，作为低复杂度双梳计量应用的替代光源，具有很好的应用前景。在此，赵欣等人研究了一个具有有限内腔双折射的偏振多路复用被动锁模光纤激光器的激光特性。通过在非保偏单模腔中引入一段保偏光纤，研究人员获得了具有近似正交偏振态的双异步脉冲。脉冲重复频率差达数百赫兹，光谱重叠良好，具有典型的偏振锁定矢量孤子特征。研究表明，无论是在反常色散还是正常色散情况下，都可以得到重复率差较小的双矢量孤子或双耗散矢量孤子。这种偏振复用的单腔双梳激光器可以应用在需要简单的双梳系统解决方案中。该工作发表在 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).

两个梳齿间距略有不同的光学频率梳可以实现双梳计量应用，如高分辨率光谱学和测距。由于基于两个频率稳定的超快激光器的传统实现被认为过于复杂或具有技术挑战性，因此，在过去几年中，简化此类系统的努力得到了加强。使用两个自由运行的锁模激光器，数字相位校正算法或自适应采样数据采集系统可以补偿它们的重复频率漂移。研究发现，共用一个光学参量振荡器腔对两个自由运行的种子激光器脉冲进行波长转换，可以减少两个腔内的随机漂移，从而提高双梳谱测量性能。在同一芯片上制作并工作的两个锁模波导激光器或非线性微谐振器的输出被证明具有足够的相互相干性，适用于某些具有大梳齿间距的双梳应用。通过设置不同调制频率，将连续波激光下的两个电光梳进行非线性光谱加宽，应用于光谱测量。虽然可以灵活选择中心波长和梳齿间距，但它们的梳齿间距和光谱带宽之间可能存在折衷。

然而，直接从一个种子腔而不是两个种子腔产生双梳脉冲似乎是一种有吸引力和有希望的方法，因为脉冲之间可能有更高程度的相互相干。在各种激光平台上实现这种单腔双梳光源的兴趣越来越浓厚。利用双波长、双向激光或非线性脉冲整形机制，几种从模型锁定光纤激光器产生异步超短脉冲的方案已经被证明。在双向振荡的钛蓝宝石激光器和双向泵浦的微谐振器中也实现了双梳脉冲的产生。通过使用双折射晶体在半导体圆盘激光器的腔内空间分离光束路径，实现了正交偏振双梳的产生。这种具有异步脉冲发射的单腔双梳光源作为简单的、可替代的双梳源，已经在多个双梳应用中展示了其潜力。其中，复杂性低、能量效率高的光纤激光器梳齿间距相对较小，光谱覆盖潜力较大。

除了上述的双梳光纤激光器方案外，偏振多路复用输出的激光源还可以在相同的光谱窗口内产生正交偏振态的双脉冲。与目前主要研究的双梳应用的双波长单腔双梳源相比，它的输出可以是光谱相干的，没有固有的带宽限制。由于保偏光纤激光器发出的光只有一个偏振，人们对由标准单模光纤组成的传统锁模光纤激光器产生的脉冲的偏振状态进行了大量的研究。研究表明，在具有弱腔内双折射（由腔内残余光纤/分量双折射引入）的光纤激光器中，在反常净腔色散和正常净腔色散下分别可以产生矢量孤子和耗散矢量孤子。此外，研究人员还观测到多个偏振正交的矢量孤子的同步振荡，可能是由于激光的空间增益烧空效应造成的。

实验装置

与传统的标准单模光纤激光器或保偏光纤激光器相比，研究人员采用部分双折射设计。图1所示的双梳锁模激光器的设置包括一个全光纤环形结构，脉冲将在腔内通过完全共径路径传播而不是部分共享路径。为了实现双梳激光，研究人员在环形中放置一段保偏光纤（长度为0.30 m，拍长约为4 m），这将引入一些有限但相当大的双折射，导致不同偏振状态的脉冲具有显著的群速度差异，对同时形成多个异步矢量孤子起着至关重要的作用。其余部分由0.38 m长的掺铒光纤（Fibercore Er110）组成，由一个980 nm泵浦二极管通过波分复用器向前泵浦，在激光腔中有一个0.31 m长的Hi-1060尾纤。采用偏振无关隔离器和偏振控制器分别保证单向运行和控制偏振演化。利用光学沉积法制备的单壁碳纳米管饱和吸收体实现了锁模。双梳由光耦合器耦合出激光器。对于激光输出的偏振分辨测量，在偏振控制器之后使用偏振分束器将光分成两臂，分别表示为Pol-1和Pol-2。偏振控制器用于调整输出的偏振状态与偏振分束器轴的对齐。

为了研究不同色散状态下的双梳产生，研究人员对净色散进行调整。当腔内单模光纤总长度为 3.64 m时，净腔群速度色散约为-0.084 ps 2 。其中，掺铒光纤、Hi-1060、保偏光纤和单模光纤在1550 nm处的群速度色散参数分别为12.2、-7.0、-23.8和-21.7 p m 2 /km。净负群速度色散会导致孤子运转。通过添加一段2.09 m长色散补偿光纤（群速度色散为48.5 p m 2 /km）和0.24 m单模光纤尾纤，净腔群速度色散可移至 0.013 ps 2 ，从而产生耗散孤子。

图1 偏振复用双梳光纤激光器原理图。

双梳全光纤锁模激光器

当激光器在反常净群速度色散下工作时，激光器在69 mW泵功率时开始自模锁定。当泵浦功率增加到91 mW后，通过适当调整腔内偏振态，可以在示波器（Agilent MSO 7054A）上观察到附加的脉冲序列。图2(a)显示了当激光输出由光电探测器直接测量时的示波器截图。在100 μs的时间窗口内，两端放大波形中的脉冲对之间的时间间隔变化超过1 ns。这表明脉冲的重复率略有不同。

图2 当激光器在双矢量孤子状态下工作时，双脉冲的（a）脉冲序列（b）光谱（c）频谱（d）两个偏振的脉冲序列以及（e）自相关迹。

实验中，激光输出的光谱仍然呈现矢量孤子中常见的双峰孤子形状，如图2(b)所示。用光电探测器和频谱仪（Agilent E4404B）测量时，在44.1 MHz左右可以观测到44.102951 MHz和44.103377 MHz的两个频率分量，与腔长度相对应，如图2(c)所示。当腔内没有保偏光纤时，研究人员没有观察到这种异步脉冲激光。为了进一步表征激光输出，它被外部偏振分束器分成两部分。通过在偏振分束器前调整偏振控制器，使Pol-1低频重复频率的射频信号最大，可以看到高频信号相应被抑制20 dB以上，但没有被消除。在此条件下，Pol-2端口观测到的射频信号的其他频率最大，如图2(c)所示。这表明两个脉冲序列可以有接近正交的偏振态，尽管它们都不是线偏振态。从示波器得到的脉冲序列的时间形状，如图2(d)所示。它们的振幅均匀，脉间调制可以忽略不计。这表明这两个脉冲都可能是偏振锁定的矢量孤子。

在Pol-1和Pol-2测得的光谱，如图2(b)所示。可以观察到，除了一些小的光谱特征外，它们的光谱形状非常相似。Pol-1和Pol-2的中心波长分别为1558.9和1558.7 nm左右，相差约0.2 nm。它们的3 dB带宽也很相似，分别为3.2 nm和3.4 nm，输出功率分别为635 μW和490 μW。由于不同场分量之间的相干能量交换，在光谱中存在峰/谷对，例如，在1570 nm左右的形状不同的峰/谷对，是矢量孤子的典型特征。双脉冲的自相关迹也由自制的自相关器测量，如图2(e)所示。如果假设脉冲形状为sech 2 ，则它们的3-dB脉冲宽度分别为约804 fs和713 fs。考虑到光谱带宽，激光工作在双矢量孤子状态，产生两个偏振几乎正交的异步矢量孤子序列。

此外，通过调整腔内偏振控制器，可改变重复频率差。图3显示了重复频率差从228 Hz调谐到773 Hz时的射频和光谱。考虑到隔离器等元件引入的双折射的存在，重复频率差的调谐主要是由于腔内复合双折射的变化造成的。这也可以看作是光谱上两个侧峰的位置相应移动。值得注意的是，当偏振控制器调整到更低的重复频率差时，双梳激光将停止，只留下一个脉冲序列振荡。

图3 重复频率差变化时的（a）频谱和（b）光谱。

对于许多潜在的双梳应用来说，在重复频率差异中保持良好稳定性的能力是至关重要的。图4显示了监控的重复率及其差异。在这种情况下，重复频率差的频率为578 Hz。然而，自由运行的激光脉冲重复频率明显如预期的那样漂移，重复频率差保持稳定，均方根仅为38 mHz。

图4 监测激光输出的重复频率及其差。

当采用色散补偿光纤使激光器的净色散变为正及泵浦功率设置在 73 mW以上时，也可以产生两个异步脉冲串。图5（a）所示的双梳输出的频谱现在具有典型的耗散孤子的形状。Pol-1和Pol-2的带宽分别为5 nm和4.1 nm。根据图5(b)和图5(c)，它们显示出相似的极化和时间特征。由于腔长增加，重复频率分别为29.445086 MHz和29.445341 MHz，重复频率差为255 Hz。像许多其他的耗散孤子激光器一样，不可能直接测量它们在激光输出时的自相关。通过130 m和180 m标准单模光纤传输后，压缩后分别得到1 ps和1.3 ps的自相关迹（假设sech2形状）[图5(d)]。这显示了激光脉冲的强啁啾。因此，该光纤激光器实现了偏振复用、双耗散矢量孤子的产生。

图5 在双耗散矢量孤子状态下，脉冲的光谱（a）频谱（b）脉冲序列（c）和自相关迹（压缩后）（d）。

综上所述，研究人员提出并实现了偏振多路单腔双梳源可以通过具有不可忽略双折射的锁模光纤激光器实现，可以观察到大约几百赫兹的相对较小的重复频率差异，可以动态调整。研究表明，在不同色散状态下，可以产生具有相同光谱窗口的不同光带宽和脉冲宽度的双梳脉冲，通过腔内色散设计可以进一步探索直接产生带宽进一步增大的双梳脉冲。由于它与广泛研究的光纤环形激光器相似，这种简单且易于实现的激光配置可以进一步应用于双梳应用。

研究人员简介