用于超短脉冲生成的8字形光纤激光器的制作方法

专利名称：用于超短脉冲生成的8字形光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及8字形锁模的光纤激光器，更具体地，涉及保偏8字形(PMFE ) 激光器，具有引入到双向环路的额外偏差以生成期望频谱宽度的超短(fs)脉 冲。
背景技术：
超短的光脉冲可以被用于包括光信息处理及数据通信、具有高的时间精度 的光学探测、激光手术以及材料处理的多种应用中。特别地，具有高达2.5Gbit/s 或更高的光数据通信的近年来的发展要求具有低维^^率、高可靠性并且低成本 的紧凑、超快的光源。已经开发了光纤激光器作为新一代的紧凑、便宜并鲁棒的光源。本质上， 光纤激光器是具有一段作为增益介质的掺杂光纤的光泵浦谐振器。当增益超过 谐振器中总的光损耗时，可以产生激光振荡。可以使用许多不同的掺杂剂来获 得不同波长的激光振荡。可以使用稀土离子中的原子跃迁来产生从可见波长到 远红外波长(例如，0.45fim-3.5pm)的激光。由于在大约1.55jim,通常使用 的石英光纤中的光损耗最小，因此，用于产生1.55pm的光脉冲的掺铒光纤激 光器特别适用于光纤通信。锁模光纤激光器可以使用例如线形、环形及8字形等各种腔配置。例如， 见1991年4月16日授予Kafka等人的美国专利5,008,887以及1996年4月 30日授予Tamura等人的美国专利5,513,194。然而构想将锁模光纤激光器配置 为具有同时振荡的多个纵模。在谐振器中执行锁模机构，从而以任意两个相邻 模式之间的相位差为恒量的方式使不同模式的多个相位同步。这些锁相模式结 构性地互相累加来产生短脉冲。两个通常的锁模方案是"主动，，锁模和"被动，，锁模。主动锁模以等于一 个或多个模间隔的频率调制腔内光场的振幅或相位。通过使用腔内光电和声光 调制器可以实现主动锁才莫。可选择地，被动锁模使用谐振器内部的至少 一个非线性光学器件来对光脉 冲产生依赖于强度的响应，从而降低离开非线性器件的光脉冲的脉冲宽度。与 主动锁模相比，可以有效地使用被动锁模来产生超短光源。通常使用的被动锁 模技术包括饱和吸收器、8字形激光器及依赖于强度的非线性偏振旋转。在8 字形激光器的情况下，提供依赖于强度的响应的非线性器件采取非线性光环路 镜的形式。锁模光纤激光器一般需要"正常的"(即，负的)和"反常的"(即，正的) 色散光纤的平衡以获得超短脉冲。转让给本申请的受让人并且结合于此作为参考的美国专利申请序列号No. 11/985442公开了第一已知PMFE激光器，其利 用色散管理以产生超短脉沖。通过该PMFE布置利用外部调制信号源(相位 或振幅)以触发产生激光的处理。 一旦激励了外部信号源，就可以移除该外部 信号源并且该PMFE激光器将被锁模和持续操作。尽管受让人的该PMFE已经成功地克服了现有技术的许多问题，但是在 该布置中仅使用保偏光纤消除了对偏振控制元件的需要，偏振控制元件不仅用 于控制偏振状态，而且引入了产生超短光脉冲所必须的光学偏差。结果，不能 调整双向环路的偏差使得很难可靠地并可重现地构造PMFE激光器。由此， 仍然需要一种PMFE光纤激光器，其能够保持保偏布置的益处，还能够产生 许多应用所需的超短脉冲。发明内容本发明处理现有技术中的局限性，本发明涉及PMFE光纤激光器，更具 体地，涉及将额外的光学偏差合并到双向环路中以在相反传播的信号之间产生 必要的偏移以产生大约100飞秒级的超短输出脉冲的PMFE光纤激光器。根据本发明，修改PMFE光纤激光器以将额外的可变损耗元件并入到双 向环路中以产生足以产生超短光脉冲的光学偏差条件。该PMFE激光器中的双向环路提供超快饱和的吸收，该超快饱和的吸收通过提供依赖于强度的传输 来导致被动锁模。通过在该环路中并入偏差；在环路中的相反传播场之间将累 积足以产生期望的超短输出脉冲的相位差。在一个实施例中，在激光器中的两个环路之间以不对称的分配器的形式引 入偏差。也可以在双向环路中插入额外的损耗器件(其是可调整的，例如可变5光学衰减器(VOA)或类似的衰减器件)作为偏差元件。在操作中，可以在 制造过程中调整衰减的程度直到获得最优锁模。在可选的实施例中，可以将
PMFE激光器的传统的输入/输出耦合器移动到双向环路中，并且由此向该布 置中加入期望的偏差。在双向环路中并入不同的接合和/或弯曲损耗足以允许 超短^c冲生成。
可以使用其它布置来在双向环路中引入偏差，包括但不局限于对双向光纤 的物理/机械改变(张力、应力、温度等)。
实际上，参考附图，在下面描述的过程中，本发明的其它及进一步的方面 和特点将变得显而易见。


现在参考附图，
图1说明现有技术的8字形光纤激光器，使用外部/机械偏振控制器以保 持传播巧言号的偏振并且？)入产生超短输出脉冲所需的偏差；
图2说明现有技术的PMFE光纤激光器，其消除了对于外部偏振控制器 件的需要，但是在产生超短光学脉冲中受到限制；
图3示出了根据本发明而形成的示例PMFE光纤激光器，以通过在激光 器的双向环路中有意包括损耗器件来生成超短光学脉冲；
图4说明本发明的一个特定实施例，利用不对称功率分配器作为光学损耗 器件；
图5是根据本发明的图4的实施例的PMFE光纤激光器的锁模频谱的图； 图6是来自图4的实施例的输出脉冲的自相关函数的图； 图7是本发明的另 一个实施例，在双向环路中利用可变光学衰减器来生成 超短脉冲；
图8示出本发明的又一个实施例，使用输出耦合器来在环路配置中产生不 对称；以及
图9说明本发明的实施例，其中使用第二光纤放大器来在双向环路中产生 期望的偏差情况。
具体实施例方式
在描述本发明的PMFE光纤激光器的配置和操作之前，将描述能够产生超
6短脉沖的基本的8字形现有技术光纤激光器和我们之前的PMFE布置。参考 图1，现有技术8字形光纤激光器1包括单模光纤的第一光纤环路2，形成以 包括一段掺杂(正常色散)光纤3来提供放大。通常，基于所希望的激光器的 中心工作波长来选^奪掺杂光纤段3的长度。铒是该类型光纤激光器的传统的稀 土材料选择之一。通过50:50定向耦合器5将单模光纤的第一环路2耦合到第 二环路4。在腔中使用的单模光纤(SMF )通常在通信系统^f吏用的期望的1550nm 工作波长呈现反常(正的)色散。由此，环路2和4与耦合器5的组合形成了 "8字形"结构。经由耦合器7 (在一种情况下，耦合器7可以包括波分复用 元件)将泵浦光源6耦合到第一环路2以提供用于该结构的光输入。
此后，在第一环路2的段3内放大的光将继续环绕环路2传播，每次呈现 增益的增加，在每个通过中具有大约一半的信号功率纟皮耦合到环路4的。环路 4中的隔离器8将防止在第二环路4中建立任何反向传播的信号。输出定向耦 合器9也被包括在第二环路4中并被用于耦合输出 一部分的锁模激光器输出信 号。根据在腔中光纤的增益和其它元件的损耗，该部分可以从百分之几到超过 50%，以允许8字形结构保持被动锁模并继续提供输出信号。 一对机械偏振控 制器IO和11被布置在第一环路2和第二环路4内，并且用于保持传播信号的 一致的偏振状态。如上所述，偏振控制器10和11已经在过去被用于以允许生 成超短脉冲(以IOO飞秒的级别)的形式来调谐环路偏差。
图2说明如在上面参考的共同受让的申请中公开的示例PMFE光纤激光器 20。在该布置中，已经通过利用保偏光纤形成环路而消除了对机械偏振控制器 的需要。另外，已经确定，为使被动锁模光纤适当地工作，需要对调制(振幅 或相位)的初始的"提升，，("boost")以使该布置进入被动锁模状态。在图2 的布置中具体地示出PMFE的全部这些方面。
参考该附图，被动锁模8字形光纤激光器20包括由保偏单模光纤 (polarization maintaining, single mode fiber, PM-SMF )构成的第 一环路22，该 保偏单模光纤呈现单模光纤的反常色散特性。 一段铒掺杂(Er-掺杂)的保偏 光纤24被耦合到PM-SMF以使第一环路22的几何结构完整。铒掺杂的保偏 光纤24呈现正常色散。使用第 一输入耦合器26 (也是保偏的)将来自泵浦源 28的泵浦光信号注入到铒#^杂光纤24中。泵浦源28的波长(在此情况下示为980nm)被选择来使用Er摻杂剂提供放大。
激光器20还包括第二环路36,第二环路36也由保偏的单模光纤(也是 "反常的"、正的色散光纤)构成。使用保偏50:50光分配器38来将第一环路 22耦合到第二环路36，由此引导两个环路之间的传播信号。在第二环路36 内包括保偏的轴向的(in-line)光隔离器40来防止信号反向传播通过该系统。 设置保偏50:50输出耦合器42来耦合输出来自光纤激光器20的锁模脉沖信号。 保偏调制器44沿着第二环路36布置，并且由外部驱动源46驱动。外部信号 的引入足以干扰激光器20的稳态情况并且启动模式锁定。当已经保持模式锁 定时，驱动器46与系统断开，并且通过非线性放电环路镜22中的Kerr非线 性效应来继续被动锁模操作。
然而，已经发现了当激光器结构全部由保偏元件形成时，例如图2的激光 器20,就已经消除了能够调谐环路偏差的灵活性。基于这个原因，由于第一 环路22中的固定偏差限制了激光器的工作范围，所以很难可靠地构建在腔布 局的大范围上锁模的"完全的"PMFE激光器。
实际上，已经发现了建造具有相同配置的两个完全的PMFE激光器可以产 生具有非常不同级别的性能的激光器。在极端的情况下， 一个激光器将锁模并
且产生超短脉冲，而第二个激光器将仅在连续波(CW)模式中工作。操作中
与将光纤的一部分和另一部分连接相关联的接合损耗。为了可靠地以及可重复 地构建对给定腔配置锁模的PMFE激光器，已经确定了必须重新引入在调谐 双向环路的偏差中的额外的灵活性，或者将限制输出的频谱宽度(FWHM值) 和脉冲宽度。
图3说明根据本发明形成的PMFE光纤激光器50,以通过将"光学偏差" 引入到光纤激光器的双向环路中而生成期望的超短脉冲。如上与图2相关的描 述的布置中，形成激光器50的所有元件是"保偏的"。为了简单的目的，没有 示出外部调制源元件，但是应该理解到这样的布置在启动本发明的PMFE光 纤激光器的被动锁^t是有用的。由此，应该理解到如图3所示的本发明的实施 例可以被修改以包括相位/振幅调制器以及RF驱动源，类似于现有4支术图2 的元件44和46。参考图3， PMFE光纤激光器50被示出为包括由具有反常(正的)色散的 保偏光纤构成的第一双向光纤环路52,该第一双向光纤环路52通过光分配器 /耦合器56耦合至第二单向光纤环路54 (也是由具有反常色散的保偏光纤构 成)。在一个实施例中，单模光纤可以用于环路54和56的形成。可选地，也 可以使用多模光纤。在特定实施例中，使用现有的50/50分配器56。双向光纤 环路52被示出为还包括一段保偏铒掺杂的光纤58。使用铒掺杂的光纤48来 产生环路光纤信号的放大。使用泵浦源60来将光学泵浦信号引入到掺杂的光 纤58 (在980nm的波长工作，例如，当与一段铒掺杂光纤一起用于^殳58 )， 其中可以使用WDM器件62来将泵浦源60耦合至掺杂的光纤58。尽管这个 特定的实施例包括基于光纤的放大器，应该理解到在绝大多数通常情况下，本 发明的PMFE激光器可以利用在激光器结构内的任何适合类型的光学放大增 益介质。例如，可以使用半导体光学放大器来代替铒掺杂的光纤58。其他类 型的增益结构也开始可能的，并且全部落入本发明的范围内。
根据本发明，通过将光损耗器件70并入双向环路52中来提供在PMFE 激光器50中调谐光学偏差的能力。在双向环路中的有意的额外损耗在反向传 播的信号之间产生了相位差。结果，反向传播场将呈现不同的功率，并且由此 建立不同的相位。这样的依赖于强度的响应的产生一一其中低功率(CW)光 被反射并且高功率(脉冲)光被传输一一产生了根据本发明用于生成超短脉冲 的必要条件。
损耗器件70可以采用适于产生从依赖于强度的响应产生超短脉冲所需的 相位差的期望的建立的任意形式的元件。在一种情况下，如图4所示，器件 70可以包括在双向环路52和单向环路54之间布置的非对称分配器70-1。在 图4中由X/Y指示的环路52和54之间的选定的功率分配比率被看作是设计 选项。通过将非对称性引入到在每个环路中传播的信号的功率，非对称性可以 在计数器传播场中累积以产生相位上的期望偏差。该相位上的偏差将在效果上 "削尖，，输出脉冲以允许产生超短的飞秒输出脉冲.
使用图4的特定布置，可以获得在构建PMFE激光器中显著的可靠性。如 图5所示，可以获得44nm FWHM的频谱宽度，图5说明了图4的FPME激 光器的锁模频谱。图6是来自图4的布置的输出脉冲的自相关的图，这证明了157fs的脉冲。实际上，已经在类似于图4所示的布置中观察到了 110fs那么 短的脉冲宽度。事实上，如果不根据本发明加入有意的损耗偏差，不能保证图 4所示的特定配置能够锁模。
图7说明可用于本发明的另一个示例损耗器件70。在这个例子中，可变 光学衰减器70-2被布置在双向环路52中。在该特定实施例中已经将放大元件 (掺杂的光纤段58、泵浦源60以及WDM 62)移入单向环路54中；通常， 在任意环路中可以发生放大(或者如在下面接合图9所述，在两个环路中可以 发生放大)。因为可以在闭合系统的任一点上产生期望的增益，所以放大元件 至环路54的运动可以沿着和围绕双向环路52 "l是供额外的空间，以4艮据器件 70-2的尺寸插入VOA 70-2。可以使用各种和公知类型的衰减器，例如引入光 纤弯曲损耗、损耗的接合等。可以使用任何适合的器件来引入依赖于强度的超 短脉冲生成所需的相位差。
关于"可变"器件的使用，在制造时执行引入的衰减量的调整，直到获得 期望的锁模行为。由此，在每个激光器的基础上执行该调整，并且允许补偿与 制造相关联的偏差(如上所述，特别是关于接合损耗)，使得可以以可靠和可 重现的形式产生PMFE激光器。
图8示出另一个示例损耗器件70,这种情况是在双向环路52中(而不是 传统的沿着单向环路54布置)布置输出耦合器70-3的形式。与耦合器70-3 相关联的损耗可以被配置为足以在相位上产生期望的累积，以导致超短光学输 出脉冲。放大器件58、 60和62再次被显示为沿着单向环路54布置，仅作为 设计选项。
也可以考虑在本发明的PFME激光器中使用多于一个"损耗器件"。图9 示出了示例PFME激光器，其利用在单向环路54和双向环路52之间的非对 称分配器70A以及沿着单向环路54布置的第二放大布置70B。在该实施例中， 如上所述在双向环路52中布置放大器件58、 60和62。参考图9,第二放大布 置70a被示出为包括--段铒摻杂的光纤58B，该段铒掺杂的光纤58b从泉浦源 60B (在980nm工作)接收泵浦输入信号。例如波分复用(WDM) 62B的耦合 器提供泵浦信号到掺杂的光纤段58B的引入。
在本实施例中通过改变两个放大器之间的增益的比率(这可以通过调整它们相关的泵浦功率来获得)，可以改变引入到双向环路中的偏差，同时保持期 望的脉冲能量。
本领域技术人员将清楚，不脱离本发明的宗义或范围，对于本发明可以进 行各种变形和变换。因此，本发明涵盖上述实施例的各种变形和变换，所有这 些都被认为落入如下面定义的权利要求所限定的本发明的宗义和范围内。
权利要求
1.一种锁模保偏8字形光纤激光器，用于生成超短光输出脉冲，所述激光器包括双向环路，包括保偏光纤；单向环路，包括保偏光纤；第一段保偏放大介质，沿着所述双向环路和所述单向环路的任一个插入所述第一段保偏放大介质，所述第一段保偏放大介质响应于输入的光泵浦信号以产生放大的传播光信号；保偏定向耦合器，布置在保偏光纤的所述双向环路和所述单向环路之间并且耦合至所述双向环路和所述单向环路，所述传播光信号的保偏状态提供了所述传播光信号的稳定和恒定的锁模状态；以及光损耗器件，沿着所述双向环路布置所述光损耗器件以在传播信号之间产生足以生成超短光输出脉冲的相位差的累积。
2. 根据权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述保偏放大介质包括保 偏光纤放大器。
3. 根据权利要求2所述的光纤激光器，其中，所述保偏光纤放大器包括 铒掺杂的光纤放大器。
4. 根据权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述保偏放大介质包括半 导体光学放大器。
5. 根据权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述激光器还包括 外部干扰源，用于将干扰引入所述传播光信号并且启动锁模。
6. 根据权利要求5所述的光纤激光器，其中，所述外部干扰源包括 保偏调制器件，用于将调制千扰引入到所述传播光信号；以及 外部驱动器，耦合到所述调制器件，用于向所述调制器件提供输入调制信
7. 根据权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述光损耗器件包括布置 在所述双向环路和所述单向环路之间的不对称的定向耦合器。
8. 根据权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述光损耗器件包括沿着所述双向环路插入的光学衰减器以提供足够量的衰减来产生锁^t条件。
9.根据权利要求1所述的光纤激光器，其中，所述光损耗器件包括沿着所述光纤激光器布置的第二段保偏放大介质，其中调整第一段和第二戟:保偏放大介质的增益以产生足以产生锁模和生成超短光输出脉沖的相位差。
全文摘要
一种用于超短脉冲生成的8字形光纤激光器。保偏8字形(PMFE)光纤激光器，通过在光纤激光器的双向环路中(以相位偏差的形式)有意插入不对称性来生成超短(飞秒)输出脉冲。不对称性的引入(通过不对称的离合器、接合、衰减器、光纤弯曲、多个放大段等)允许在双向环路中的累积相位差以足够产生锁模和生成超短输出脉冲。
文档编号H01S3/067GK101667711SQ20091017071
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月3日 优先权日2008年9月5日
发明者杰弗里·尼科尔森 申请人:Ofs 飞泰尔公司