基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生方法及装置与流程

本发明涉及高重频超短脉冲信号领域，具体为一种基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生方法及装置，可用于光通信、国防安全、天文学、高速全光模数转换、生物医学、微加工等领域。

背景技术：

数字系统在稳定性、抗干扰能力、处理精度、集成度等方面相比模拟系统有着巨大的优势。然而自然界存在的信息大都以模拟信号的形式存在，必须将模拟信号转化为数字信号。光纤通信以其巨大的传输容量，良好的抗干扰能力，高速率和低误码率等优点在全世界范围内得到了广泛的应用，而40G、OTN、ASON等新传输技术不断涌现，下一代光通信网络技术以及光计算的发展也要求信息全部在光域中实现高速、并行的数字光学信息处理，迫切需要抛弃“光-电-光”的转换。综合分析，对光模拟信号利用全光模数转换技术实现高采样速率、高量化精度的模数转换成为迫切解决的问题。全光模数转换技术中的采样激光脉冲源的重复频率、脉冲宽度、稳定性等直接决定了模数转换的性能，因此研制一种高重频、窄脉宽、低抖动的激光脉冲源成为目前迫切需要解决的问题。

光纤激光器相对于固体激光器具有成本低廉、体积小、重量轻、无需光路准直、散热快、损耗小、激光阈值低等无可比拟的优点，得到了突飞猛进的发展，已成为激光领域充满创新活力和创新机遇的重要方向[Nat. Photonics，Vol. 4，p. 307- 311，2010和Nature，Vol. 424，p. 831-838，2003]。超短激光脉冲在光通信、国防安全、天文学、高速全光模数转换、生物医学、微加工等领域得到了广泛的应用，成为国家战略和高端产业的核心技术之一。关于光纤激光器的研究，在理论和工程技术方面都取得了重大突破。

光纤激光器产生高重复频率激光脉冲的方法有主动锁模技术及被动锁模技术。而被动锁模光纤激光器相对于主动锁模光纤激光器具有重复频率不受电子瓶颈的限制、结构简单、输出稳定性良好等特点。被动锁模光纤激光器，可通过缩短腔长提高基础重复频率[Opt. Commun. ，Vol. 284，p. 4203-4206，2011]、谐波锁模增加激光腔内脉冲个数[Opt. Lett. ，Vol. 37，p. 3522-3524，2012]、基于耗散四波混频效应（滤波四波混频效应）锁模[IEEE J. Quantum Electron. ，Vol.42，p. 1038-1046，2006]来提高重复频率。通过缩短腔长一定程度上可以增加激光器的重复频率，但是过短的腔长很难为激光器提供足够的增益实现锁模，并且超短谐振腔的制作较难。此外，多脉冲谐波锁模技术也被用于产生高重频脉冲，谐波锁模光纤激光器遇到一个常见的问题是除非采取稳定技术，否则无法在较长周期上产生稳定且等振幅的脉冲序列，并且重复频率的最大值仍然在20GHz左右。

基于四波混频效应实现高重频激光脉冲输出虽然已取得了重大突破，但是这种锁模脉冲的信噪比比较低、稳定性较差，无法满足全光模数转换技术中对采样脉冲源的要求。主要原因是四波混频效应需要较高的非线性，导致腔长较长，相邻纵模间距较小，通常为MHz或者更小，以致每个滤波通道内包含多个纵模，并且纵模的相位随机起伏引起低频噪声，严重降低了系统的稳定性。除此以外，引起激光脉冲抖动的因素一般还包括自发辐射噪声引起的抖动、光纤的色散导致中心频率漂移引起的抖动（Gordon-Haus抖动）、幅度不均匀引起的抖动[Jpn. J. Appl. Phys. ，Vol. 44，p. 1621-1625，2005]。要解决以上问题需要寻求新的滤波技术抑制多纵模振荡，寻求高非线性器件减少腔长、增大相邻纵模之间的间距，合理设计腔形结构减少三种抖动的影响，是提高高重频激光器稳定性的有效方式。近期就报道了利用四波混频效应实现高重频激光脉冲输出[Nature Communications，Vol. 3，p. 765，2012]。但是CMOS微腔不是光纤结构，会引入CMOS微腔与光纤器件耦合效率较低，损耗较大的缺点，实现激光器锁模输出需要的泵浦功率较高。该激光器没有降噪处理，稳定性还有待提高。

近年来，微纳光纤技术为实现高重频光纤激光器提供了新的研究思路和实验途径。利用火焰加热两步拉制法，已经拉出直径为50nm的低损耗光纤，实现了包括微纳谐振腔在内的多种光学器件。基于微纳谐振腔的研究结果表明：微纳谐振腔具有频率滤波作用，可以作为窄线宽、多通道的光谱滤波器。光纤微腔滤波器与其它滤波器相比具有诸多优势：（1）极高的非线性系数；（2）窄线宽滤波特性；（3）与传统的光纤器件兼容。因此，可以利用微纳谐振腔的高非线性减少腔长、增大纵模间隔，利用微纳谐振腔的窄线宽滤波特性抑制多纵模振荡，有望实现高重频超短脉冲输出。

近年来基于石墨烯锁模的光纤激光器进行了大量研究，研究结果表明石墨烯材料具有抑制自发辐射噪声的作用[Optics Express，Vol. 21，p. 26533-26541，2013]。

因此，可在微纳谐振腔上涂敷石墨烯，研制一种新型的锁模器件（简称石墨烯微腔）。利用石墨烯微腔减少自发辐射噪声、抑制多纵模振荡，设计激光器在近零色散附近降低Gordon-Haus抖动，研制高重频、窄脉宽、低抖动的锁模光纤激光器。

技术实现要素：

本发明为解决目前传统光纤激光器的脉冲重复频率较低、脉冲宽度较宽、系统的稳定性差的缺点，提供了一种基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生方法及装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生装置，包括波分复用器，所述波分复用器的输出端与掺铒光纤的输入端连接，所述掺铒光纤的输出端与偏振无关隔离器的输入端连接，所述偏振无关隔离器的输出端通过第一偏振控制器与连接石墨烯微腔的输入端连接，所述石墨烯微腔的输出端通过第二偏振控制器与输出耦合器的输入端连接，所述输出耦合器的一输出端作为锁模脉冲输出端、其另一输出端通过光纤与波分复用器的一输入端连接、其另一输入端与单色激光源连接。

使用时，该装置包括工作波长为980nm单色激光源、980/1550nm的波分复用器、掺铒光纤、偏振无关隔离器、石墨烯微腔和输出耦合器。980nm单色激光源作为泵浦光源；泵浦光源通过所述的980/1550 nm的波分复用器对所述的掺铒光纤进行泵浦抽运；偏振无关隔离器的作用是抑制后向反馈，以保证环形腔激光器单向运转；偏振无关隔离器紧接着通过石墨烯微腔和输出耦合器，形成闭合回路。

一种基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生的方法，980nm单色激光源作为泵浦光源，经980/1550 nm的波分复用器对掺铒光纤进行泵浦抽运，再通过偏振无关隔离器抑制后向反馈，然后利用石墨烯微腔高非线性、窄线宽、自由光谱范围较大、调制深度较大、非可饱和吸收损耗小的特点，实现重复频率上百GHz、脉冲宽度为百fs、低抖动的锁模脉冲通过耦合器输出。滤波四波混频效应：具有周期性透射峰的光学滤波器，相邻透射峰间隔为，于是产生间隔为的谱带，在高非线光纤内产生四波混频效应产生附加的边带，并为这些边带提供相位锁定，激光器输出重复频率为或其整数倍的脉冲序列。可饱和吸收效应：当光脉冲通过吸收体时，其边翼部分的损耗大于中央部分的损耗，结果光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化，在多次往返过程中，脉冲不断窄化，达到动态平衡形成稳定的锁模脉冲输出。本发明方案中的微腔是一个具有多周期性透射峰的光学滤波器将会引起滤波四波混频效应，石墨烯材料起到可饱和吸收体的作用；因此，本方案实际是通过滤波四波混频和可饱和吸收效应两种锁模机制共同作用下，产生高重频超短脉冲输出。

本发明的工作原理包括：

1、微纳谐振腔（石墨烯微腔）具有频率滤波作用，可以作为窄线宽、多通道的光谱滤波器。光纤微腔滤波器具有极高的非线性系数、窄线宽滤波特性以及与传统的光纤器件兼容。由于微纳光纤的直径为纳米量级，光场被限制在极小的范围内，导致微纳光纤的非线性系数较高；可以根据实验的要求控制微纳谐振腔的Q值，研制满足实验要求的窄线宽的微纳谐振腔；由于微纳谐振腔是由普通光纤组成，可以方便的与其它光纤器件耦合。可以利用微纳谐振腔的高非线性减少腔长、增大纵模间隔，利用微纳谐振腔的窄线宽滤波特性抑制多纵模振荡，实现高重频超短脉冲输出。

2、微纳谐振腔的自由光谱范围为（其中：λ为入射光波长，n_eff为光纤的有效折射率，D为微腔的直径）。为实现重复频率为百GHz以上的超短脉冲输出，最好将微腔的直径控制在660μm以下；调制节区微纳光纤的长度和距离，提高微腔的品质因数，获得窄线宽的透射谱输出。

3、石墨烯的可饱和吸收特性使输出脉冲时域变窄频域变宽，根据Gordon-Haus抖动的公式很容易得出此种结构的光纤激光器可以降低激光脉冲的Gordon-Haus抖动。除此以外，石墨烯可饱和吸收体对于抑制自发辐射噪声也具有一定的作用。

4、利用滤波四波混频效应提高脉冲的重复频率，制备高性能石墨烯微腔，结合石墨烯微腔可饱和吸收体抑制自发辐射噪声、窄化脉冲宽度提高锁模脉冲的稳定性。

本发明设计合理，基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生及装置，与现有技术相比，克服了传统光纤激光器的脉冲重复频率较低、脉冲宽度较宽、系统的稳定性差的缺点，研制重复频率为上百GHz、脉冲宽度为百fs、低抖动、通信波段的被动锁模光纤激光器。

附图说明

图1表示本发明所述激光器装置的结构示意图。

图2表示本发明所述激光器装置中石墨烯微腔的结构示意图。

图中：1-980nm单色激光源，2-980/1550nm的波分复用器，3-掺铒光纤，4-偏振无关隔离器，5a-第一偏振控制器，5b-第二偏振控制器，6-石墨烯微腔，7-输出耦合器。

具体实施方式

本发明所述的基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生方法是将980nm单色激光源作为泵浦光源，经980/1550 nm的波分复用器对掺铒光纤进行泵浦抽运，再通过偏振无关隔离器抑制后向反馈，然后利用石墨烯微腔高非线性、窄线宽、自由光谱范围较大、调制深度较大、非可饱和吸收损耗小的特点，通过滤波四波混频和可饱和吸收效应两种锁模机制共同作用实现锁模脉冲通过耦合器输出。下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

一种基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生装置，包括980/1550nm的波分复用器2，所述980/1550nm的波分复用器2的输出端与掺铒光纤3的输入端连接，所述掺铒光纤3的输出端与偏振无关隔离器4的输入端连接，所述偏振无关隔离器4的输出端通过第一偏振控制器5a与连接石墨烯微腔6的输入端连接，所述石墨烯微腔6的输出端通过第二偏振控制器5b与输出耦合器7的输入端连接，所述输出耦合器7的一输出端作为锁模脉冲输出端、其另一输出端通过光纤与波分复用器2的一输入端（1550nm）连接、其另一输入端（980nm）与980nm单色激光源1连接。

该装置是在数值模拟分析结果的基础上搭建石墨烯微腔锁模的光纤激光器，如图1所示。在搭建过程中，选用高掺杂、低色散的掺铒光纤、物理尺寸较小的光纤无源器件；选用电噪声较小的泵浦源，采用双向泵浦结构为锁模光纤激光器提供增益；将980nm单色激光源作为泵浦光源，泵浦光源通过980/1550nm的波分复用器对掺铒光纤进行泵浦抽运，再通过偏振无关隔离器抑制后向反馈，来保证环形腔激光器单向运转，紧接着通过石墨烯微腔和输出耦合器，形成闭合回路。根据数值模拟的结果，利用石墨烯微腔搭建近零色散的锁模光纤激光器。调整泵浦功率，微调偏振控制器给光纤激光器提供扰动，使光纤激光器工作在稳定的锁模输出状态。微调激光器参数直到获得比较稳定的、百fs、百GHz以上的激光脉冲。（可采用自相关仪测量脉冲宽度，利用自相关曲线峰值之间间隔计算脉冲的重复频率。）

制备高性能的石墨烯微腔：先利用火焰加热模块拉制韧性、平整度良好的微纳光纤，在高倍显微镜下将微纳光纤绕环研制微腔；再将石墨烯粉末倒入十二烷基硫酸钠溶液中，进行超声搅拌，搅拌后的溶液进行离心处理，滤除上层分离的溶液，把聚乙烯醇（PVA）粉末倒入超声处理后的溶液中，继续超声搅拌数小时（大约5小时左右），形成石墨烯混合溶液；最后将绕制好的微腔放在玻璃片上，从侧面滴入，完成石墨烯溶液的涂覆工作，从而制备出高性能石墨烯微腔，结构如图2所示。

总之，基于石墨烯微腔锁模的高重频超短脉冲产生方法及装置采用高非线性、窄线宽、自由光谱范围较大、调制深度较大、非可饱和吸收损耗小的石墨烯微腔，利用滤波四波混频效应提高脉冲的重复频率，并结合可饱和吸收体抑制自发辐射噪声、窄化脉冲宽度提高锁模脉冲的稳定性，产生重复频率上百GHz、脉冲宽度为百fs、低抖动的脉冲信号。本激光器的实现促进高重频、窄脉宽光纤激光器的发展。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化，均属于本发明技术方案的范围内。