1700 nm波段主动锁模色散调谐光纤激光器

《IEEE Photonics Journal》：Active Mode-Locked Dispersion-Tuned Fiber Laser in the 1700-nm Band

　　

研究人员演示了一种工作于1700 nm光谱区域的色散调谐主动锁模铋掺杂光纤（BDF）激光器。该激光器采用环形腔，包含60 m高锗硅酸盐BDF，该光纤同时提供光学增益和大的色散。波长调谐通过两种基于色散引起的腔同步的互补方法实现。第一种方法中，通过改变腔内电光调制器的调制频率控制激光波长，实现了1670–1764 nm（94 nm）范围内的全电子波长扫描。第二种方法中，通过使用腔内光学延迟线调节腔长实现波长调谐，得到1670–1758 nm（88 nm）的调谐范围。在两种情况下，均实现了稳定的主动锁模，且波长与调谐参数呈线性关系。在第530阶和第1870阶谐波阶次的比较表明，高阶运转改善了调谐线性度，但将射频信噪比（RF SNR）从38–39 dB降低至30–32 dB，并将归一化脉冲周期抖动从0.75–0.91%增加至5.3–6.2%。这些结果确立了1700 nm波段宽带波长可调谐源的紧凑且多功能的平台。

可调谐锁模光纤激光器是高分辨率生物医学成像和先进传感系统的关键光源，快速的波长敏捷性和稳定的脉冲产生能直接提升系统性能。特别地，1700 nm波段对脑相关研究和光学相干层析成像（OCT）具有重要意义，因为该波段在生物组织中具有更低的散射和有利的吸收特性，能够实现更深的组织穿透。然而，该波段可调谐激光源的发展仍然有限。已有采用掺铥光纤（TDF）和铋掺杂光纤（BDF）作为增益介质的激光器，其中BDF可提供1600–1800 nm的增益。以往研究报道了多种可调谐配置，例如基于衍射光栅外腔的宽调谐连续波（CW）TDF激光器，以及结合TDF、BDF和Littman配置的宽调谐CW光纤激光器。然而，在1600 nm以上波段，色散调谐的锁模光纤激光器尚未见报道。色散调谐机制依赖于腔内的色散导致往返时间随波长变化，在主动锁模下，激光波长由调制频率与波长相关腔延迟的同步条件决定，因此无需滤波器即可实现全电子波长控制。本文报道了一种工作在1700 nm波段的色散调谐主动锁模BDF激光器，填补了这一技术空白。该研究成果发表于《IEEE Photonics Journal》。

研究人员采用环形腔结构，利用60 m高锗硅酸盐BDF同时作为增益介质和主要色散元件，在1570 nm激光二极管泵浦下工作。总腔长约73 m，插入延迟线后约75 m。腔内包含电光调制器（EOM）、偏振控制器（PC）、隔离器和90/10输出耦合器。BDF的色散大约为?46±2 ps/(nm·km)（通过结果部分估算），提供足够的波长相关腔延迟，无需额外色散补偿光纤或波长选择滤波器。主动锁模通过射频（RF）合成器驱动EOM实现。输出信号通过光学光谱分析仪（OSA）和11 GHz光电探测器及13 GHz示波器表征，系统最小可测脉宽约50 ps。

A. 基于调制频率调谐的波长控制

为了确认主动锁模，研究人员测量了不同谐波阶次下的输出脉宽。结果显示脉宽从6.5 ns减小到85 ps，符合主动锁模理论预期的f_m^?0.5关系。在530阶谐波（调制频率约1448.1 MHz）下，1670 nm处光谱光信噪比（OSNR）约37 dB，3-dB带宽0.4 nm，脉宽89 ps，时间-带宽积（TBP）为3.83，表明脉冲为啁啾脉冲。通过改变调制频率，530阶谐波下获得了1670–1764 nm（94 nm）的调谐范围，调谐灵敏度约106 nm/MHz，决定系数R²=0.885；在1870阶谐波（约5.106 GHz）下，调谐范围约1670–1758 nm，灵敏度约34 nm/MHz，R²=0.990。高阶运转降低了调谐灵敏度但提高了线性度。基于调谐斜率，估算腔平均色散约?32 ps/(nm·km)，进而得出BDF色散约?44 ps/(nm·km)。在调谐范围内，3-dB带宽在0.3–0.8 nm之间变化，输出功率最高17 mW（1720 nm处，530阶）。所有波长点均观察到稳定的约85±5 ps脉宽。

B. 基于腔长调谐的波长控制

将光学延迟线插入腔中，在固定调制频率4975 MHz（约1870阶谐波）下，通过调节延迟线改变腔长。1670 nm处OSNR约42 dB，3-dB带宽0.4 nm。脉宽约61 ps，TBP为2.3–2.6，同样为啁啾脉冲。腔长调谐在530阶和1870阶分别获得约1671–1756 nm和1670–1758 nm的调谐范围（总范围88 nm），调谐系数分别约1.77 nm/mm和1.80 nm/mm，R²分别为0.893和0.991。高阶运转线性度更好。由调谐斜率估算BDF色散约?48 ps/(nm·km)，与调制频率法结果接近。

C. 两种调谐方法的比较

两种方法在530阶和1870阶谐波下比较。RF信噪比（RF SNR）在530阶时分别为39 dB（调制频率调谐）和38 dB（腔长调谐），在1870阶时分别降至32 dB和30 dB。谐波阶次对RF稳定性的影响大于调谐方法。脉冲周期抖动方面，530阶时RMS抖动为5.9–6.3 ps（调制频率调谐）和5.3–6.0 ps（腔长调谐），归一化抖动分别为0.85–0.91%和0.75–0.85%；1870阶时RMS抖动增至10.5–11.3 ps和11.0–12.3 ps，归一化抖动为5.3–5.7%和5.5–6.2%。因此两方法在相同谐波阶次下抖动相近，但高阶运转会显著增加抖动。此外，调制频率调谐的频率-波长系数随谐波阶次增大而减小（106→34 nm/MHz），而腔长调谐的系数基本不变（1.77→1.80 nm/mm）。两种方法在高阶均改善了线性度，但降低了RF SNR并增加了抖动，揭示了调谐线性度、波长灵敏度和脉冲稳定性之间的权衡。

总结讨论部分指出，两种调谐方法均受色散诱导的同步机制控制，但分别通过改变调制频率和腔长来实现；高阶运转对RF稳定性影响显著，而对调谐方法本身不敏感。脉冲抖动的增加与高谐波主动锁模对同步失配的敏感性一致。研究结论为：本文展示了一种工作于1700 nm光谱区域的主动锁模色散调谐BDF激光器。通过利用60 m BDF的强色散，波长调谐通过两种互补机制实现：调制频率调谐和腔长调谐。该激光器分别实现了高达94 nm和88 nm的宽调谐范围，具有高光谱纯度和稳定的锁模运转。激光波长与调谐参数之间的线性关系证实了基于色散的同步机制。高阶运转降低了调制频率调谐系数并改善了线性拟合，但也降低了RF信噪比并增加了脉冲周期抖动。这种紧凑无滤波的方法为高速波长可调源提供了多功能平台，在OCT和先进传感系统中具有潜在应用。