基于復(fù)合式微納光纖鎖模器件的單腔多光頻梳技術(shù)研究

車韜，楊建軍，劉至立

（北京航空航天大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

近年來(lái)，雙光頻梳測(cè)量技術(shù)由于其精度高、測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)在光譜學(xué)測(cè)量［1-2］、絕對(duì)頻率測(cè)量［3］、距離測(cè)量［4-5］、泵浦探測(cè)［6］等領(lǐng)域受到了研究者們的廣泛關(guān)注。單腔雙光頻梳光源相較傳統(tǒng)穩(wěn)頻雙光頻梳光源復(fù)雜度更低，進(jìn)一步推動(dòng)了雙光頻梳測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。研究者們將復(fù)用概念引入激光器的設(shè)計(jì)中，形成了以波長(zhǎng)復(fù)用［7-8］、方向復(fù)用［9］、偏振復(fù)用［10-11］、波形復(fù)用［12］為代表的單腔雙光頻梳光源技術(shù)。其中，波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)通過(guò)一定的光譜濾波技術(shù)對(duì)激光器的增益譜進(jìn)行調(diào)控，然后結(jié)合相應(yīng)的鎖模技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)鎖模。隨著光譜濾波技術(shù)與鎖模技術(shù)的多樣化發(fā)展，波長(zhǎng)復(fù)用式單腔雙光頻梳已成為了熱點(diǎn)研究方向。

2011年，趙欣［7］等人提出在環(huán)形摻鉺鎖模光纖激光器中引入可調(diào)衰減器實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器增益譜調(diào)控的方案，該方案通過(guò)對(duì)損耗的調(diào)控，增加了增益譜的利用效率，從而實(shí)現(xiàn)了在1530 nm與1560 nm兩個(gè)區(qū)域的同時(shí)鎖模，兩個(gè)鎖模脈沖的寬度均為亞ps級(jí)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)增益譜的進(jìn)一步調(diào)控，2016年趙欣［13］等人在環(huán)形摻鉺鎖模光纖激光器中插入帶有約0.25 m長(zhǎng)的保偏光纖（PMF）尾纖的偏振分束器（PBS），結(jié)合腔內(nèi)偏振控制器的調(diào)節(jié)，形成具有偏振干涉效應(yīng)的Lyout濾波器，實(shí)現(xiàn)了1533 nm與1544 nm的鎖模。2018年，天津大學(xué)的胡明列［14］等人搭建了“9字”型摻銩鎖模光纖激光器，由于腔的不對(duì)稱性，使得順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)行的光在耦合器處產(chǎn)生干涉，從而形成Sagnac濾波器，分別在1917 nm和1981 nm處實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定鎖模。除了上述傳統(tǒng)的光纖濾波形式，以多模干涉原理為基礎(chǔ)，采用熔融拉錐技術(shù)對(duì)光纖進(jìn)行二次加工從而實(shí)現(xiàn)多模干涉濾波器的方案也受到了研究者們的關(guān)注。2016年，陳杰［15］等人使用絕熱的微納光纖濾波器和基于SWCNT-PDMS（單壁碳納米管-聚二甲基硅氧烷）混合物的可飽和吸收體（SA）實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)鎖模，其濾波器光譜周期約為5 nm，調(diào)制深度約為3%，當(dāng)泵浦功率達(dá)到16.7 mW時(shí)，實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)分別為1559.6，1564.9 nm的鎖模（間隔為5.33 nm），其中1559.6 nm處3 dB光譜帶寬為1.0 nm，1564.9 nm處3 dB光譜帶寬為1.2 nm。同年，王亞洲［16］等人以10 mm/s的拉錐速度制作了微納光纖濾波器，該器件的插入損耗為2.9 dB，調(diào)制深度為3.61 dB，調(diào)制周期為7.3 nm，錐腰的直徑為7μm，在890 mW的泵浦功率下，實(shí)現(xiàn)了1956.8，1979.2 nm的鎖模，其中1956.8 nm處3 dB帶寬為2.32 nm，1979.2 nm處3 dB帶寬為2.04 nm。雙波長(zhǎng)周期是濾波器調(diào)制周期的三倍，這是由于摻Tm3+光纖的增益帶分布不均勻造成的。

另一方面，利用石墨烯、碳納米管等材料對(duì)微納光纖進(jìn)行沉積，可以實(shí)現(xiàn)損傷閾值更高，可更穩(wěn)定鎖模的光頻梳。2019年，楊慧冉［17］等人將碳納米管（CNT）和聚乙烯醇（PVA）細(xì)絲纏繞在微納光纖表面制作SA，該SA具有高損傷閾值，在腔內(nèi)平均功率高于100 mW的條件下連續(xù)運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)，光纖激光器的輸出特性沒(méi)有明顯變化。

針對(duì)傳統(tǒng)波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)需要高性能濾波、鎖模器件的問(wèn)題，基于模間干涉和光沉積原理，研制了一種基于微納光纖的復(fù)合式器件，通過(guò)熔融拉錐進(jìn)行濾波器的制作，并在此基礎(chǔ)上利用滴涂CNT的方式實(shí)現(xiàn)SA的制作。將該復(fù)合器件應(yīng)用于環(huán)形腔中并開(kāi)展雙梳鎖模實(shí)驗(yàn)，對(duì)其濾波及鎖模效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)微納光纖錐腰半徑隨長(zhǎng)度變化快慢不同而導(dǎo)致基模傳輸特性的不同，光纖錐可分為兩種類型：絕熱型和非絕熱型。絕熱型光纖錐的過(guò)渡區(qū)域的錐角足夠小且變化非常緩慢，整個(gè)區(qū)域的變化坡度平緩。絕熱型的錐型光纖幾乎不會(huì)產(chǎn)生多模干涉效應(yīng)，只要拉制過(guò)程足夠緩慢，就可以滿足絕熱條件。非絕熱型光纖錐的過(guò)渡區(qū)域的錐角非常大且快速變化，整個(gè)區(qū)域的變化坡度相對(duì)陡峭。光信號(hào)在未到達(dá)錐區(qū)時(shí)，以基模（HE11）形式在纖芯中傳播；拉錐過(guò)程會(huì)使光纖的半徑a逐漸變細(xì)，使得纖芯外部介質(zhì)由包層變?yōu)榭諝?，包層的折射率ncl變小，歸一化頻率V逐漸增大。V的計(jì)算公式為

式中：k0=2π/λ，λ為入射光的波長(zhǎng)；nco為光纖纖芯的折射率。當(dāng)纖芯的歸一化頻率大于2.405時(shí)，激發(fā)了許多高階模。信號(hào)光在通過(guò)錐區(qū)后，纖芯傳播的基模會(huì)與高階模發(fā)生耦合，由于基模與高階模所處的環(huán)境不同，所以走過(guò)的光程也不同，在耦合處會(huì)產(chǎn)生光程差，產(chǎn)生干涉濾波現(xiàn)象［18］。一般采用絕熱型光纖錐制作鎖模器件，采用非絕熱型光纖錐制作濾波器。

實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)鎖模除了依靠濾波器，還需要依靠SA作為鎖模器件。SA在緊湊性、簡(jiǎn)單性、靈活性和更短的脈沖持續(xù)時(shí)間方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。迄今為止，已經(jīng)報(bào)道了多種具有飽和吸收特性的材料，包括石墨烯［19］、黑磷（BP）［20］、過(guò)渡金屬二硫?qū)倩铮═MDs）［21］、拓?fù)浣^緣體（TIs）［22］、二維過(guò)渡金屬碳化物或氮化物（MXenes）［23］、碳納米管（CNT）［24-25］等。CNT具有高非線性、低飽和強(qiáng)度、亞皮秒弛豫時(shí)間、寬工作帶寬和1567 nm處的吸收峰與摻鉺光纖激光器（EDFL）的光譜相匹配等優(yōu)勢(shì)。2007年，Kieu［24］在絕熱微納光纖的表面涂了一層低折射率SWCNT-PDMS混合物，利用這種方式制作的可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了1530 nm鎖模。本課題組也使用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了非常優(yōu)秀的鎖模效果。與絕熱微納光纖結(jié)構(gòu)相比，使用非絕熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)沉積，不僅可以有效利用其產(chǎn)生的濾波特性，同時(shí)還可以利用沉積CNT之后的可飽和吸收特性。

2 復(fù)合器件制作

微納光纖的腰部直徑對(duì)濾波器的性能有至關(guān)重要的影響。為實(shí)現(xiàn)更好的波長(zhǎng)選擇功能，首選調(diào)制深度大、插入損耗低的濾波器。為了制作非絕熱型微納光纖，要求拉錐速度相對(duì)較大，使得錐形光纖從過(guò)渡區(qū)至錐腰區(qū)的斜率變大，從而增大模式間的干涉，使得濾波效應(yīng)更加明顯。對(duì)0.5~1 mm/s拉錐速度進(jìn)行優(yōu)化（低于0.5 mm/s為絕熱型），隨著拉錐速度的增大，相同拉伸長(zhǎng)度下的錐區(qū)直徑逐漸變小，損耗逐漸增大，當(dāng)拉錐速度超過(guò)1 mm/s時(shí)容易發(fā)生斷裂，當(dāng)拉錐速度小于0.6 mm/s時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的錐區(qū)直徑，不利于光沉積。最終選取0.8 mm/s作為最佳拉錐速度，在此拉錐速度下對(duì)2~5 mm的拉伸長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化（當(dāng)拉伸長(zhǎng)度超過(guò)5 mm時(shí)容易發(fā)生斷裂，拉伸長(zhǎng)度過(guò)短則不利于倏逝場(chǎng)的溢出）。隨著拉伸長(zhǎng)度的增加，錐區(qū)直徑逐漸變小，損耗逐漸增大，且自由光譜程（FSR）與長(zhǎng)度成反比［16］，為了獲得低損耗、大FSR的雙波長(zhǎng)鎖模器件，最終以0.8 mm/s的拉伸速度，4 mm的拉伸長(zhǎng)度進(jìn)行熔融拉錐，圖1（a）為使用光學(xué)顯微鏡拍攝到的微納光纖圖像（放大5倍），可以看到該器件非常明顯的過(guò)渡區(qū)（非絕熱），其中腰部直徑為6.66 nm。使用放大自發(fā)輻射（ASE）光源測(cè)量微納光纖在1525~1575 nm范圍內(nèi)的光譜響應(yīng)，如圖1（c），可以看到微納光纖器件的濾波周期為10 nm，插入損耗為3 dB，調(diào)制深度為4 dB。插入損耗的大小與微納光纖的直徑相關(guān)，隨著微納光纖的腰部直徑減小，調(diào)制深度將增大，插入損耗也將增加［16］。將拉好的錐使用光沉積法（沉積功率為10 mW，沉積時(shí)間為5 s，CNT濃度為0.1%）制作可飽和吸收體，沉積之后的顯微圖像（放大10倍）如圖1（b）所示，可以看到光纖表面吸附的CNT。沉積之后使用ASE測(cè)得其透射譜如圖1（c）所示，可以看到沉積之后微納光纖器件的濾波周期仍為10 nm，只是調(diào)制深度相較于沉積之前有所減小，這是由于CNT沉積到微納光纖表面之后折射率發(fā)生了變化。之后測(cè)試復(fù)合器件的偏振敏感性，結(jié)果如圖1（d）所示，可以看到PC1狀態(tài)下對(duì)應(yīng)波谷為1529.6 nm，PC2狀態(tài)下對(duì)應(yīng)波谷為1529.8 nm，PC3狀態(tài)下對(duì)應(yīng)波谷為1529.6 nm，在不同偏振狀態(tài)下光譜漂移均小于0.2 nm，證明該復(fù)合器件對(duì)偏振不敏感。

圖1 微納光纖腰部顯微圖像、透射譜及偏振不敏感測(cè)試Fig.1 Waist micrograph,transmission spectrum and polariza‐tion insensitivity test of micro/nano fiber

3 基于復(fù)合器件的雙梳實(shí)驗(yàn)裝置

為了測(cè)試該復(fù)合器件的多波長(zhǎng)鎖模能力，搭建了如圖2所示的環(huán)形激光器結(jié)構(gòu)（激光器總長(zhǎng)度約為8.54 m）。以980 nm半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源，產(chǎn)生的泵浦光通過(guò)980/1550波分復(fù)用器（WDM）耦合到2.3 m長(zhǎng)的摻餌光纖（EDF）（型號(hào)為Er1022）內(nèi)。在EDF之后放置一個(gè)光隔離器（ISO）以確保光在腔內(nèi)的單向傳播。經(jīng)過(guò)80/20光耦合器（OC）后，80%的光返回腔內(nèi)，20%的激光輸出用于觀測(cè)?？烧{(diào)光衰減器用于調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗，其可調(diào)范圍約為0~30 dB。偏振控制器（PC）用于調(diào)整偏振狀態(tài)。

圖2 雙梳激光裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of dual-comb laser setup

實(shí)驗(yàn)得到腔內(nèi)凈色散約為0.01 ps/nm，表明激光器在反常色散狀態(tài)下運(yùn)行。激光輸出的光譜由光譜分析儀（型號(hào)為Agilent 86142B）測(cè)量。脈沖序列由實(shí)時(shí)示波器（型號(hào)為Infiniium MS07054A，500 MHz）通過(guò)1 GHz光電探測(cè)器（型號(hào)為New Focus 1611）檢測(cè)，其射頻頻譜由安捷倫N9320B頻譜分析儀測(cè)量。

4 雙波長(zhǎng)鎖模

將泵浦功率調(diào)整至19 mW，并使用可調(diào)衰減器引入2 dB的損耗，可以實(shí)現(xiàn)1543，1555 nm的雙波長(zhǎng)鎖模。在3 dB的附加損耗和20.4 mW的泵功率下，可以實(shí)現(xiàn)1532，1543 nm的雙波長(zhǎng)鎖模。泵浦功率調(diào)整至21.7 mW，可調(diào)衰減器的損耗增加至4 dB，可以實(shí)現(xiàn)1532，1555 nm的雙波長(zhǎng)鎖模。它們的光譜及射頻（RF）譜分別如圖3（a）和圖3（b）所示，可以看到濾波周期均為11 nm，與沉積完的透射譜濾波周期（10 nm）基本一致。

圖3 不同損耗雙光頻梳的頻域結(jié)果Fig.3 Frequency domain results of the dual-comb with different loss

5 三波長(zhǎng)鎖模

通過(guò)調(diào)節(jié)腔內(nèi)可調(diào)衰減器的損耗（3.8 dB）以及泵浦激光的功率，并配合偏振控制器的調(diào)整，即可輕松實(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)分別為1532，1543，1555 nm的三波長(zhǎng)鎖模，如圖4所示，其中1532 nm處3 dB帶寬為3.2 nm，重復(fù)頻率f1=24.204572 MHz；1543 nm處3 dB帶寬為2.3 nm，重復(fù)頻率f2=24.205203 MHz；1555 nm處3 dB帶寬為3 nm，重復(fù)頻率f3=24.205776 MHz。圖4（b）中，1與2的重頻差f12=631 Hz，2與3的重頻差f23=573 Hz。

圖4 三光頻梳的時(shí)域及頻域結(jié)果Fig.4 Time domain and frequency domain results of the tri-comb

6 結(jié)論

針對(duì)波長(zhǎng)復(fù)用式單腔多光頻梳傳統(tǒng)濾波器對(duì)偏振敏感、制作工藝復(fù)雜的問(wèn)題，研制了一種基于微納光纖的復(fù)合式器件，該器件同時(shí)具有濾波與鎖模的功能，且對(duì)偏振不敏感，可用于實(shí)現(xiàn)可切換的雙波長(zhǎng)鎖模以及三波長(zhǎng)鎖模。該器件為光纖激光器中的多波長(zhǎng)和可調(diào)諧模式鎖定提供了一種簡(jiǎn)單而緊湊的解決方案，并為推動(dòng)多光梳技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力支撐，具有技術(shù)應(yīng)用與借鑒價(jià)值。