專利名稱：用于超短脈沖生成的8字形光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及8字形鎖模的光纖激光器，更具體地，涉及保偏8字形(PMFE ) 激光器，具有引入到雙向環(huán)路的額外偏差以生成期望頻譜寬度的超短(fs)脈 沖。
背景技術(shù)：
超短的光脈沖可以被用于包括光信息處理及數(shù)據(jù)通信、具有高的時間精度 的光學(xué)探測、激光手術(shù)以及材料處理的多種應(yīng)用中。特別地，具有高達(dá)2.5Gbit/s 或更高的光數(shù)據(jù)通信的近年來的發(fā)展要求具有低維^^率、高可靠性并且低成本 的緊湊、超快的光源。已經(jīng)開發(fā)了光纖激光器作為新一代的緊湊、便宜并魯棒的光源。本質(zhì)上， 光纖激光器是具有一段作為增益介質(zhì)的摻雜光纖的光泵浦諧振器。當(dāng)增益超過 諧振器中總的光損耗時，可以產(chǎn)生激光振蕩?？梢允褂迷S多不同的摻雜劑來獲 得不同波長的激光振蕩。可以使用稀土離子中的原子躍遷來產(chǎn)生從可見波長到 遠(yuǎn)紅外波長(例如，0.45fim-3.5pm)的激光。由于在大約1.55jim,通常使用 的石英光纖中的光損耗最小，因此，用于產(chǎn)生1.55pm的光脈沖的摻鉺光纖激 光器特別適用于光纖通信。鎖模光纖激光器可以使用例如線形、環(huán)形及8字形等各種腔配置。例如， 見1991年4月16日授予Kafka等人的美國專利5,008,887以及1996年4月 30日授予Tamura等人的美國專利5,513,194。然而構(gòu)想將鎖模光纖激光器配置 為具有同時振蕩的多個縱模。在諧振器中執(zhí)行鎖模機(jī)構(gòu)，從而以任意兩個相鄰 模式之間的相位差為恒量的方式使不同模式的多個相位同步。這些鎖相模式結(jié) 構(gòu)性地互相累加來產(chǎn)生短脈沖。兩個通常的鎖模方案是"主動，，鎖模和"被動，，鎖模。主動鎖模以等于一 個或多個模間隔的頻率調(diào)制腔內(nèi)光場的振幅或相位。通過使用腔內(nèi)光電和聲光 調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)主動鎖才莫?？蛇x擇地，被動鎖模使用諧振器內(nèi)部的至少 一個非線性光學(xué)器件來對光脈 沖產(chǎn)生依賴于強(qiáng)度的響應(yīng)，從而降低離開非線性器件的光脈沖的脈沖寬度。與 主動鎖模相比，可以有效地使用被動鎖模來產(chǎn)生超短光源。通常使用的被動鎖 模技術(shù)包括飽和吸收器、8字形激光器及依賴于強(qiáng)度的非線性偏振旋轉(zhuǎn)。在8 字形激光器的情況下，提供依賴于強(qiáng)度的響應(yīng)的非線性器件采取非線性光環(huán)路 鏡的形式。鎖模光纖激光器一般需要"正常的"(即，負(fù)的)和"反常的"(即，正的) 色散光纖的平衡以獲得超短脈沖。轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人并且結(jié)合于此作為參考的美國專利申請序列號No. 11/985442公開了第一已知PMFE激光器，其利 用色散管理以產(chǎn)生超短脈沖。通過該P(yáng)MFE布置利用外部調(diào)制信號源(相位 或振幅)以觸發(fā)產(chǎn)生激光的處理。 一旦激勵了外部信號源，就可以移除該外部 信號源并且該P(yáng)MFE激光器將被鎖模和持續(xù)操作。盡管受讓人的該P(yáng)MFE已經(jīng)成功地克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多問題，但是在 該布置中僅使用保偏光纖消除了對偏振控制元件的需要，偏振控制元件不僅用 于控制偏振狀態(tài)，而且引入了產(chǎn)生超短光脈沖所必須的光學(xué)偏差。結(jié)果，不能 調(diào)整雙向環(huán)路的偏差使得很難可靠地并可重現(xiàn)地構(gòu)造PMFE激光器。由此， 仍然需要一種PMFE光纖激光器，其能夠保持保偏布置的益處，還能夠產(chǎn)生 許多應(yīng)用所需的超短脈沖。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明處理現(xiàn)有技術(shù)中的局限性，本發(fā)明涉及PMFE光纖激光器，更具 體地，涉及將額外的光學(xué)偏差合并到雙向環(huán)路中以在相反傳播的信號之間產(chǎn)生 必要的偏移以產(chǎn)生大約100飛秒級的超短輸出脈沖的PMFE光纖激光器。根據(jù)本發(fā)明，修改PMFE光纖激光器以將額外的可變損耗元件并入到雙 向環(huán)路中以產(chǎn)生足以產(chǎn)生超短光脈沖的光學(xué)偏差條件。該P(yáng)MFE激光器中的雙向環(huán)路提供超快飽和的吸收，該超快飽和的吸收通過提供依賴于強(qiáng)度的傳輸 來導(dǎo)致被動鎖模。通過在該環(huán)路中并入偏差；在環(huán)路中的相反傳播場之間將累 積足以產(chǎn)生期望的超短輸出脈沖的相位差。在一個實(shí)施例中，在激光器中的兩個環(huán)路之間以不對稱的分配器的形式引 入偏差。也可以在雙向環(huán)路中插入額外的損耗器件(其是可調(diào)整的，例如可變5光學(xué)衰減器(VOA)或類似的衰減器件)作為偏差元件。在操作中，可以在 制造過程中調(diào)整衰減的程度直到獲得最優(yōu)鎖模。在可選的實(shí)施例中，可以將
PMFE激光器的傳統(tǒng)的輸入/輸出耦合器移動到雙向環(huán)路中，并且由此向該布 置中加入期望的偏差。在雙向環(huán)路中并入不同的接合和/或彎曲損耗足以允許 超短^c沖生成。
可以使用其它布置來在雙向環(huán)路中引入偏差，包括但不局限于對雙向光纖 的物理/機(jī)械改變(張力、應(yīng)力、溫度等)。
實(shí)際上，參考附圖，在下面描述的過程中，本發(fā)明的其它及進(jìn)一步的方面 和特點(diǎn)將變得顯而易見。


現(xiàn)在參考附圖，
圖1說明現(xiàn)有技術(shù)的8字形光纖激光器，使用外部/機(jī)械偏振控制器以保 持傳播巧言號的偏振并且？)入產(chǎn)生超短輸出脈沖所需的偏差；
圖2說明現(xiàn)有技術(shù)的PMFE光纖激光器，其消除了對于外部偏振控制器 件的需要，但是在產(chǎn)生超短光學(xué)脈沖中受到限制；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明而形成的示例PMFE光纖激光器，以通過在激光 器的雙向環(huán)路中有意包括損耗器件來生成超短光學(xué)脈沖；
圖4說明本發(fā)明的一個特定實(shí)施例，利用不對稱功率分配器作為光學(xué)損耗 器件；
圖5是根據(jù)本發(fā)明的圖4的實(shí)施例的PMFE光纖激光器的鎖模頻譜的圖； 圖6是來自圖4的實(shí)施例的輸出脈沖的自相關(guān)函數(shù)的圖； 圖7是本發(fā)明的另 一個實(shí)施例，在雙向環(huán)路中利用可變光學(xué)衰減器來生成 超短脈沖；
圖8示出本發(fā)明的又一個實(shí)施例，使用輸出耦合器來在環(huán)路配置中產(chǎn)生不 對稱；以及
圖9說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中使用第二光纖放大器來在雙向環(huán)路中產(chǎn)生 期望的偏差情況。
具體實(shí)施例方式
在描述本發(fā)明的PMFE光纖激光器的配置和操作之前，將描述能夠產(chǎn)生超
6短脈沖的基本的8字形現(xiàn)有技術(shù)光纖激光器和我們之前的PMFE布置。參考 圖1，現(xiàn)有技術(shù)8字形光纖激光器1包括單模光纖的第一光纖環(huán)路2，形成以 包括一段摻雜(正常色散)光纖3來提供放大。通常，基于所希望的激光器的 中心工作波長來選^奪摻雜光纖段3的長度。鉺是該類型光纖激光器的傳統(tǒng)的稀 土材料選擇之一。通過50:50定向耦合器5將單模光纖的第一環(huán)路2耦合到第 二環(huán)路4。在腔中使用的單模光纖(SMF )通常在通信系統(tǒng)^f吏用的期望的1550nm 工作波長呈現(xiàn)反常(正的)色散。由此，環(huán)路2和4與耦合器5的組合形成了 "8字形"結(jié)構(gòu)。經(jīng)由耦合器7 (在一種情況下，耦合器7可以包括波分復(fù)用 元件)將泵浦光源6耦合到第一環(huán)路2以提供用于該結(jié)構(gòu)的光輸入。
此后，在第一環(huán)路2的段3內(nèi)放大的光將繼續(xù)環(huán)繞環(huán)路2傳播，每次呈現(xiàn) 增益的增加，在每個通過中具有大約一半的信號功率纟皮耦合到環(huán)路4的。環(huán)路 4中的隔離器8將防止在第二環(huán)路4中建立任何反向傳播的信號。輸出定向耦 合器9也被包括在第二環(huán)路4中并被用于耦合輸出 一部分的鎖模激光器輸出信 號。根據(jù)在腔中光纖的增益和其它元件的損耗，該部分可以從百分之幾到超過 50%，以允許8字形結(jié)構(gòu)保持被動鎖模并繼續(xù)提供輸出信號。 一對機(jī)械偏振控 制器IO和11被布置在第一環(huán)路2和第二環(huán)路4內(nèi)，并且用于保持傳播信號的 一致的偏振狀態(tài)。如上所述，偏振控制器10和11已經(jīng)在過去被用于以允許生 成超短脈沖(以IOO飛秒的級別)的形式來調(diào)諧環(huán)路偏差。
圖2說明如在上面參考的共同受讓的申請中公開的示例PMFE光纖激光器 20。在該布置中，已經(jīng)通過利用保偏光纖形成環(huán)路而消除了對機(jī)械偏振控制器 的需要。另外，已經(jīng)確定，為使被動鎖模光纖適當(dāng)?shù)毓ぷ?，需要對調(diào)制(振幅 或相位)的初始的"提升，，("boost")以使該布置進(jìn)入被動鎖模狀態(tài)。在圖2 的布置中具體地示出PMFE的全部這些方面。
參考該附圖，被動鎖模8字形光纖激光器20包括由保偏單模光纖 (polarization maintaining, single mode fiber, PM-SMF )構(gòu)成的第 一環(huán)路22，該 保偏單模光纖呈現(xiàn)單模光纖的反常色散特性。 一段鉺摻雜(Er-摻雜)的保偏 光纖24被耦合到PM-SMF以使第一環(huán)路22的幾何結(jié)構(gòu)完整。鉺摻雜的保偏 光纖24呈現(xiàn)正常色散。使用第 一輸入耦合器26 (也是保偏的)將來自泵浦源 28的泵浦光信號注入到鉺#^雜光纖24中。泵浦源28的波長(在此情況下示為980nm)被選擇來使用Er摻雜劑提供放大。
激光器20還包括第二環(huán)路36,第二環(huán)路36也由保偏的單模光纖(也是 "反常的"、正的色散光纖)構(gòu)成。使用保偏50:50光分配器38來將第一環(huán)路 22耦合到第二環(huán)路36，由此引導(dǎo)兩個環(huán)路之間的傳播信號。在第二環(huán)路36 內(nèi)包括保偏的軸向的(in-line)光隔離器40來防止信號反向傳播通過該系統(tǒng)。 設(shè)置保偏50:50輸出耦合器42來耦合輸出來自光纖激光器20的鎖模脈沖信號。 保偏調(diào)制器44沿著第二環(huán)路36布置，并且由外部驅(qū)動源46驅(qū)動。外部信號 的引入足以干擾激光器20的穩(wěn)態(tài)情況并且啟動模式鎖定。當(dāng)已經(jīng)保持模式鎖 定時，驅(qū)動器46與系統(tǒng)斷開，并且通過非線性放電環(huán)路鏡22中的Kerr非線 性效應(yīng)來繼續(xù)被動鎖模操作。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了當(dāng)激光器結(jié)構(gòu)全部由保偏元件形成時，例如圖2的激光 器20,就已經(jīng)消除了能夠調(diào)諧環(huán)路偏差的靈活性?；谶@個原因，由于第一 環(huán)路22中的固定偏差限制了激光器的工作范圍，所以很難可靠地構(gòu)建在腔布 局的大范圍上鎖模的"完全的"PMFE激光器。
實(shí)際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了建造具有相同配置的兩個完全的PMFE激光器可以產(chǎn) 生具有非常不同級別的性能的激光器。在極端的情況下， 一個激光器將鎖模并
且產(chǎn)生超短脈沖，而第二個激光器將僅在連續(xù)波(CW)模式中工作。操作中
與將光纖的一部分和另一部分連接相關(guān)聯(lián)的接合損耗。為了可靠地以及可重復(fù) 地構(gòu)建對給定腔配置鎖模的PMFE激光器，已經(jīng)確定了必須重新引入在調(diào)諧 雙向環(huán)路的偏差中的額外的靈活性，或者將限制輸出的頻譜寬度(FWHM值) 和脈沖寬度。
圖3說明根據(jù)本發(fā)明形成的PMFE光纖激光器50,以通過將"光學(xué)偏差" 引入到光纖激光器的雙向環(huán)路中而生成期望的超短脈沖。如上與圖2相關(guān)的描 述的布置中，形成激光器50的所有元件是"保偏的"。為了簡單的目的，沒有 示出外部調(diào)制源元件，但是應(yīng)該理解到這樣的布置在啟動本發(fā)明的PMFE光 纖激光器的被動鎖^t是有用的。由此，應(yīng)該理解到如圖3所示的本發(fā)明的實(shí)施 例可以被修改以包括相位/振幅調(diào)制器以及RF驅(qū)動源，類似于現(xiàn)有4支術(shù)圖2 的元件44和46。參考圖3， PMFE光纖激光器50被示出為包括由具有反常(正的)色散的 保偏光纖構(gòu)成的第一雙向光纖環(huán)路52,該第一雙向光纖環(huán)路52通過光分配器 /耦合器56耦合至第二單向光纖環(huán)路54 (也是由具有反常色散的保偏光纖構(gòu) 成)。在一個實(shí)施例中，單模光纖可以用于環(huán)路54和56的形成?？蛇x地，也 可以使用多模光纖。在特定實(shí)施例中，使用現(xiàn)有的50/50分配器56。雙向光纖 環(huán)路52被示出為還包括一段保偏鉺摻雜的光纖58。使用鉺摻雜的光纖48來 產(chǎn)生環(huán)路光纖信號的放大。使用泵浦源60來將光學(xué)泵浦信號引入到摻雜的光 纖58 (在980nm的波長工作，例如，當(dāng)與一段鉺摻雜光纖一起用于^殳58 )， 其中可以使用WDM器件62來將泵浦源60耦合至摻雜的光纖58。盡管這個 特定的實(shí)施例包括基于光纖的放大器，應(yīng)該理解到在絕大多數(shù)通常情況下，本 發(fā)明的PMFE激光器可以利用在激光器結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何適合類型的光學(xué)放大增 益介質(zhì)。例如，可以使用半導(dǎo)體光學(xué)放大器來代替鉺摻雜的光纖58。其他類 型的增益結(jié)構(gòu)也開始可能的，并且全部落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，通過將光損耗器件70并入雙向環(huán)路52中來提供在PMFE 激光器50中調(diào)諧光學(xué)偏差的能力。在雙向環(huán)路中的有意的額外損耗在反向傳 播的信號之間產(chǎn)生了相位差。結(jié)果，反向傳播場將呈現(xiàn)不同的功率，并且由此 建立不同的相位。這樣的依賴于強(qiáng)度的響應(yīng)的產(chǎn)生一一其中低功率(CW)光 被反射并且高功率(脈沖)光被傳輸一一產(chǎn)生了根據(jù)本發(fā)明用于生成超短脈沖 的必要條件。
損耗器件70可以采用適于產(chǎn)生從依賴于強(qiáng)度的響應(yīng)產(chǎn)生超短脈沖所需的 相位差的期望的建立的任意形式的元件。在一種情況下，如圖4所示，器件 70可以包括在雙向環(huán)路52和單向環(huán)路54之間布置的非對稱分配器70-1。在 圖4中由X/Y指示的環(huán)路52和54之間的選定的功率分配比率被看作是設(shè)計 選項。通過將非對稱性引入到在每個環(huán)路中傳播的信號的功率，非對稱性可以 在計數(shù)器傳播場中累積以產(chǎn)生相位上的期望偏差。該相位上的偏差將在效果上 "削尖，，輸出脈沖以允許產(chǎn)生超短的飛秒輸出脈沖.
使用圖4的特定布置，可以獲得在構(gòu)建PMFE激光器中顯著的可靠性。如 圖5所示，可以獲得44nm FWHM的頻譜寬度，圖5說明了圖4的FPME激 光器的鎖模頻譜。圖6是來自圖4的布置的輸出脈沖的自相關(guān)的圖，這證明了157fs的脈沖。實(shí)際上，已經(jīng)在類似于圖4所示的布置中觀察到了 110fs那么 短的脈沖寬度。事實(shí)上，如果不根據(jù)本發(fā)明加入有意的損耗偏差，不能保證圖 4所示的特定配置能夠鎖模。
圖7說明可用于本發(fā)明的另一個示例損耗器件70。在這個例子中，可變 光學(xué)衰減器70-2被布置在雙向環(huán)路52中。在該特定實(shí)施例中已經(jīng)將放大元件 (摻雜的光纖段58、泵浦源60以及WDM 62)移入單向環(huán)路54中；通常， 在任意環(huán)路中可以發(fā)生放大(或者如在下面接合圖9所述，在兩個環(huán)路中可以 發(fā)生放大)。因為可以在閉合系統(tǒng)的任一點(diǎn)上產(chǎn)生期望的增益，所以放大元件 至環(huán)路54的運(yùn)動可以沿著和圍繞雙向環(huán)路52 "l是供額外的空間，以4艮據(jù)器件 70-2的尺寸插入VOA 70-2?？梢允褂酶鞣N和公知類型的衰減器，例如引入光 纖彎曲損耗、損耗的接合等。可以使用任何適合的器件來引入依賴于強(qiáng)度的超 短脈沖生成所需的相位差。
關(guān)于"可變"器件的使用，在制造時執(zhí)行引入的衰減量的調(diào)整，直到獲得 期望的鎖模行為。由此，在每個激光器的基礎(chǔ)上執(zhí)行該調(diào)整，并且允許補(bǔ)償與 制造相關(guān)聯(lián)的偏差(如上所述，特別是關(guān)于接合損耗)，使得可以以可靠和可 重現(xiàn)的形式產(chǎn)生PMFE激光器。
圖8示出另一個示例損耗器件70,這種情況是在雙向環(huán)路52中(而不是 傳統(tǒng)的沿著單向環(huán)路54布置)布置輸出耦合器70-3的形式。與耦合器70-3 相關(guān)聯(lián)的損耗可以被配置為足以在相位上產(chǎn)生期望的累積，以導(dǎo)致超短光學(xué)輸 出脈沖。放大器件58、 60和62再次被顯示為沿著單向環(huán)路54布置，僅作為 設(shè)計選項。
也可以考慮在本發(fā)明的PFME激光器中使用多于一個"損耗器件"。圖9 示出了示例PFME激光器，其利用在單向環(huán)路54和雙向環(huán)路52之間的非對 稱分配器70A以及沿著單向環(huán)路54布置的第二放大布置70B。在該實(shí)施例中， 如上所述在雙向環(huán)路52中布置放大器件58、 60和62。參考圖9,第二放大布 置70a被示出為包括--段鉺摻雜的光纖58B，該段鉺摻雜的光纖58b從泉浦源 60B (在980nm工作)接收泵浦輸入信號。例如波分復(fù)用(WDM) 62B的耦合 器提供泵浦信號到摻雜的光纖段58B的引入。
在本實(shí)施例中通過改變兩個放大器之間的增益的比率(這可以通過調(diào)整它們相關(guān)的泵浦功率來獲得)，可以改變引入到雙向環(huán)路中的偏差，同時保持期 望的脈沖能量。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，不脫離本發(fā)明的宗義或范圍，對于本發(fā)明可以進(jìn) 行各種變形和變換。因此，本發(fā)明涵蓋上述實(shí)施例的各種變形和變換，所有這 些都被認(rèn)為落入如下面定義的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的宗義和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鎖模保偏8字形光纖激光器，用于生成超短光輸出脈沖，所述激光器包括雙向環(huán)路，包括保偏光纖；單向環(huán)路，包括保偏光纖；第一段保偏放大介質(zhì)，沿著所述雙向環(huán)路和所述單向環(huán)路的任一個插入所述第一段保偏放大介質(zhì)，所述第一段保偏放大介質(zhì)響應(yīng)于輸入的光泵浦信號以產(chǎn)生放大的傳播光信號；保偏定向耦合器，布置在保偏光纖的所述雙向環(huán)路和所述單向環(huán)路之間并且耦合至所述雙向環(huán)路和所述單向環(huán)路，所述傳播光信號的保偏狀態(tài)提供了所述傳播光信號的穩(wěn)定和恒定的鎖模狀態(tài)；以及光損耗器件，沿著所述雙向環(huán)路布置所述光損耗器件以在傳播信號之間產(chǎn)生足以生成超短光輸出脈沖的相位差的累積。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其中，所述保偏放大介質(zhì)包括保 偏光纖放大器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖激光器，其中，所述保偏光纖放大器包括 鉺摻雜的光纖放大器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其中，所述保偏放大介質(zhì)包括半 導(dǎo)體光學(xué)放大器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其中，所述激光器還包括 外部干擾源，用于將干擾引入所述傳播光信號并且啟動鎖模。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光纖激光器，其中，所述外部干擾源包括 保偏調(diào)制器件，用于將調(diào)制千擾引入到所述傳播光信號；以及 外部驅(qū)動器，耦合到所述調(diào)制器件，用于向所述調(diào)制器件提供輸入調(diào)制信
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其中，所述光損耗器件包括布置 在所述雙向環(huán)路和所述單向環(huán)路之間的不對稱的定向耦合器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其中，所述光損耗器件包括沿著所述雙向環(huán)路插入的光學(xué)衰減器以提供足夠量的衰減來產(chǎn)生鎖^t條件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其中，所述光損耗器件包括沿著所述光纖激光器布置的第二段保偏放大介質(zhì)，其中調(diào)整第一段和第二戟:保偏放大介質(zhì)的增益以產(chǎn)生足以產(chǎn)生鎖模和生成超短光輸出脈沖的相位差。
全文摘要
一種用于超短脈沖生成的8字形光纖激光器。保偏8字形(PMFE)光纖激光器，通過在光纖激光器的雙向環(huán)路中(以相位偏差的形式)有意插入不對稱性來生成超短(飛秒)輸出脈沖。不對稱性的引入(通過不對稱的離合器、接合、衰減器、光纖彎曲、多個放大段等)允許在雙向環(huán)路中的累積相位差以足夠產(chǎn)生鎖模和生成超短輸出脈沖。
文檔編號H01S3/067GK101667711SQ20091017071
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者杰弗里·尼科爾森 申請人:Ofs 飛泰爾公司