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通过输出偏振测量实现非线性偏振旋转光纤激光器的锁模自动化

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DOI：

10.3791/53679

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2016年2月28日

 ,  , 
1Centre d'optique, photonique et laser, Université Laval, 2Département de physique, Cégep Garneau

本文内容

摘要

本文介绍了一种用于检测并自动实现预调节非线性偏振旋转光纤激光器锁模的方案。该方法利用锁模发生时输出偏振态的突变进行检测，并据此控制腔内偏振控制器的调节，以寻找锁模条件。

摘要

当激光器实现锁模时，会以由激光谐振腔长度决定的重复频率发射一串超短脉冲。本文介绍了一种新颖且低成本的方法，用于在已预调好的非线性偏振旋转光纤激光器中强制实现锁模。该方法基于在锁模发生时检测输出偏振态的突然变化，并利用这一变化来控制腔内偏振控制器的调节，以找到锁模条件。具体而言，当扫描偏振控制器角度时，第一斯托克斯参数的数值会发生变化，且当激光器进入锁模状态时，该参数会出现突变。监测这一突变可提供一个易于检测的实用信号，可用于指导偏振控制器的调节，推动激光器进入锁模状态。该监测通过将一小部分输出光信号送入偏振分析仪以测量第一斯托克斯参数来实现。当激光器进入锁模状态时，分析仪读取的该参数值将出现突然变化。此时，将偏振控制器的角度固定，即完成调节。该方法为现有自动化技术提供了一种替代方案，后者通常依赖光学光谱分析仪、射频光谱分析仪、连接电子脉冲计数器的光电二极管，或基于双光子吸收或二次谐波产生的非线性检测方案。本方法适用于通过非线性偏振旋转实现锁模的激光器，实施相对简便，所需设备成本低廉，尤其在1550 nm波长下更具优势，相比上述技术可显著降低制造与运行成本。

引言

本文的目的是介绍一种用于实现非线性偏振旋转光纤激光器中锁模（ML）的自动化对准程序。该程序基于两个关键步骤：首先通过测量激光器输出信号的偏振状态来检测锁模状态，然后建立自启动控制系统以实现锁模。

光纤激光器如今已成为光学领域的重要工具。它是一种高效的相干近红外光源，并且目前正逐步拓展到电磁波谱的中红外区域。由于其成本低廉且使用方便，光纤激光器已成为其他相干光源（如固体激光器）的有吸引力的替代方案。当在光纤谐振腔中引入锁模（ML）机制时，光纤激光器还能产生超短脉冲（100飞秒或更短）。实现该锁模机制的方法多种多样，例如非线性环形镜和可饱和吸收体等。其中一种因结构简单而被广泛应用的方法，是基于信号的非线性偏振旋转（NPR）1,2。该方法利用了信号在激光谐振腔光纤中传播时，其偏振椭圆的取向会随光强发生相应旋转的特性。通过在谐振腔中插入偏振器，这种非线性偏振旋转会导致信号在往返传播过程中产生与强度相关的损耗。

通过控制偏振态，可使激光器进入锁模（ML）状态。实际上，信号的高功率部分将经历较低的损耗（图1），当激光器开启并从低功率噪声信号起振时，最终会形成超短光脉冲。然而，该方法的缺点是必须正确调节偏振态控制器（PSC）才能实现锁模。通常，操作者通过手动调节PSC的位置，并利用快速光电探测器、光谱分析仪或非线性光学自相关仪分析激光输出信号，以找到锁模状态。一旦检测到脉冲输出，操作者即停止调节PSC位置，因为此时激光器已处于锁模状态。显然，实现激光器自动自启动将显著提高效率。当激光器受到外界扰动导致对准状态或谐振腔构型发生变化时，这一点尤其重要，因为操作者不得不反复进行对准操作。在过去十年中，已有多种方法被提出以实现这一自动化过程。Hellwig 等3采用压电挤压器控制偏振态，并结合全光纤振幅分割式偏振计对信号的偏振态进行全面分析，以检测锁模状态。Radnarotov 等4使用液晶片型PSC，并基于射频（RF）光谱分析来检测锁模。Shen 等5采用压电挤压器控制偏振态，并利用光电二极管与高速计数器系统检测锁模。最近，有研究提出一种基于进化算法的策略，通过高带宽光电探测器、强度式二阶自相关仪和光谱分析仪联合实现锁模检测，控制则由谐振腔内两个电子驱动的PSC完成6。

本文介绍了一种检测锁模（ML）的创新方法，并将其应用于一种迫使光纤激光器实现锁模的自动化技术。通过分析信号输出偏振态随偏振敏感控制器（PSC）角度扫描的变化情况，可实现对激光器锁模状态的检测。如后文所示，激光器进入锁模状态时，其偏振态会发生突变，该变化可通过测量输出信号的某一斯托克斯（Stokes）参数而被探测到。这种偏振态变化的原因在于，脉冲信号比连续波（CW）信号更强，因而会经历更显著的非线性偏振旋转（NPR）。由于激光器的输出端位于腔内偏振片之前，此处脉冲的偏振态与连续波信号的偏振态不同（图2），这一差异可用于区分锁模状态。该方法的理论基础及其首次实验实现已在Olivier et al.7中报道。本文则重点讨论该方法的技术细节、局限性及其优势。

该技术实现起来相对简单，无需使用复杂的测量仪器即可检测锁模（ML）状态，并自动对准激光器以实现锁模。需要一个可通过可编程接口 externally 调节的偏振态控制器（PSC）。原则上可以采用不同类型的 PSC：压电挤压器、液晶器件、由电机驱动旋转的波片、磁光晶体，或基于挤压和扭转光纤的电机驱动全光纤 PSC8。本文采用的是后者，即一种电机驱动的全光纤 Yao 型 PSC。为检测偏振态，可使用昂贵的商用偏振仪。然而，由于仅需获取第一斯托克斯（Stokes）参数的数值，因此如本文所示，使用一个偏振分束器结合两个光电二极管即可满足要求。

对于广泛使用的掺铒光纤激光器而言，所有这些组件的成本都很低。基于该方法的反馈回路可在几分钟内实现锁模。这一响应时间适用于大多数光纤激光器的应用，并且与其他现有技术相当。实际上，响应时间受限于用于分析信号偏振态的电子器件。最后，尽管本方法在此应用于一种类孤子掺铒光纤激光器9，但只要上述设备或其等效装置在目标波长可用，该方法即可推广至任何基于非线性偏振旋转（NPR）的光纤激光器。

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方案

1. 搭建包含电动PSC的光纤ML光纤激光器

  1. 收集以下组件：单模掺铒光纤、980/1,550 nm 波分复用器（WDM）、980/1,550 nm WDM-1,550 nm 隔离器混合组件、50/50 光纤耦合器、光纤偏振器、电动PSC、两个980 nm激光泵浦二极管、99/1 光纤耦合器和手动 inline PSC。
  2. 根据所需的谐振腔设计，裁剪掺铒光纤及所有其他带尾纤的组件。
    注意：本文介绍的自动化程序适用于基于非线性偏振旋转的光纤激光器。该方法可用于不同的工作模式，例如孤子激光器、展宽脉冲激光器、耗散孤子激光器以及相似子激光器。本实验采用的是最后一种工作模式。
  3. 为了构建激光腔，使用光纤熔接机按照示意图所示顺序连接腔体组件（图3在每次进行熔接之前，使用异丙醇清洁光纤端面，并用光纤切割器将其切割。
    注意：激光器内部组件在环形腔内按顺时针顺序依次为电动PSC、980/1,550 nm波分复用器（WDM）、掺铒光纤、980/1,550 nm波分复用器-隔离器混合器件、50/50输出耦合器和光纤偏振控制器。外部组件为99/1光纤耦合器和手动在线PSC（如步骤1.7和1.8所述）。
    注意：在将腔体的其他组件进行熔接前，必须先将一段长约30 cm的光纤插入电动PSC中。尽管标准单模光纤也可使用，但建议此段使用聚酰亚胺涂层光纤，因其更能耐受控制器螺丝施加的压力，使用寿命更长。
  4. 使用熔接机将泵浦激光二极管连接到波分复用器（WDM）。每次熔接前，再次用异丙醇清洁光纤端面，并使用光纤切割器进行端面切割。
  5. 将激光二极管连接至相应的温度控制器和电流驱动器。
  6. 连接腔内电动姚型光纤挤压器PSC（图4将其连接至驱动模块，然后将驱动模块连接至计算机的USB端口。
    注意：该端口通过编号识别 "COM4" 如图所示 "设备管理器" 计算机的
  7. 在激光器输出端 即 尚未熔接的50/50耦合器端口，熔接一个99/1耦合器。
    注意：99%端口为可用输出端。1%端口用于在自动化程序中监测偏振态。
  8. 沿1%端口的光纤插入手动PSC。操作时，先卸下螺丝并打开PSC，将光纤插入相应的槽位，然后将螺丝重新放入孔中并拧紧。
  9. 在1%端口光纤末端（手动PSC之后）熔接一个斜面抛光光纤连接器（APC）。熔接前，清洁并切割光纤端面。
  10. 使用裸光纤适配器将99%输出端连接至光谱分析仪（OSA）。
    注意：如后文所述，通过光谱分析仪（OSA）观察到的光谱可提供另一种判断激光器是否处于锁模状态的方法。
  11. 使用聚酰亚胺薄膜胶带将腔体内的所有光纤和组件固定牢固。
    注意：在任何情况下（例如桌子振动或风扇吹风时），必须防止纤维和组件发生移动。使用聚酰亚胺薄膜胶带以避免损伤纤维。
  12. 拧紧腔内PSC的压力螺钉，直至光纤开始被轻微挤压。
  13. 打开泵浦激光二极管，将其电流调节至激光二极管制造商规定的最大值。
  14. 启动仪器通信界面。在 "外设与接口" 左侧列中，选择 "COM4". 点击 "打开 VISA 检测面板". 点击 "输入/输出"。然后，在 "选择或输入命令" 类型 "SM，500，3000" 并点击 "查询" 按钮。此操作命令PSC顺时针旋转3,000步，每步0.1125°。在此过程中，PSC将到达机械限位。
  15. 在 "选择或输入命令" 的 "COM4" 测试面板，类型 "SM,500,-10" 并点击 "查询" 按钮。随后，PSC 逆时针旋转约 1°。通过光谱分析仪（OSA）观察光谱，检查是否达到锁模（ML）状态。当光谱的半高全宽（FWHM）达到数十纳米量级时，即表示已实现锁模图5）。如果已达到ML，则保持双折射和角度不变，进入步骤1.18。
  16. 如果未达到最大负荷（ML），则重复步骤1.15，直至达到ML或达到PSC可实现的最大角度。
  17. 如果在出现ML之前已达到PSC的最大角度，则通过稍微拧紧压力螺丝来增加PSC的双折射率，并重复步骤1.14、1.15和1.16，直至出现ML为止。
  18. 一旦达到锁模（ML），将泵浦功率降低至允许锁模自启动的最小值。为此，逐步降低泵浦功率直至锁模消失，然后缓慢调高功率，直至达到能使锁模重新出现的最小功率值。关闭泵浦源后重新开启，检查激光器是否能够自行进入锁模状态。再略微提高泵浦功率，以确保锁模状态稳定，并在每次启动激光器时均可实现自启动。

2. 分析输出信号的偏振

  1. 将1%端口连接至商用偏振仪。
  2. 使用USB端口将偏振仪连接至计算机。
  3. 在"COM4"测试面板的"选择或输入命令"栏中，输入"SM,500,3000\n"，然后点击"查询"按钮。
  4. 运行商用偏振仪控制软件，并点击"开始"按钮以启动偏振测量。
  5. 在"COM4"测试面板的"选择或输入命令"栏中，输入"SM,500,-10\n"，然后点击"查询"按钮。观察偏振仪上的偏振态。
  6. 根据腔内PSC允许的角度范围，重复步骤2.5若干次。观察到偏振态随角度变化非常平滑，仅在达到锁模（ML）的特定角度处出现明显变化，可通过同步观察光谱分析仪（OSA）上的光谱宽度来确认。
  7. 重复步骤2.3至2.6，但此次不仅观察偏振态，还需记录斯托克斯参数S1、S2和S3随PSC角度变化的函数关系（图6）。为清晰查看这些数值，可在软件菜单中选择"测量-→示波器"，并读取S1、S2和S3的平均值。同时观察光谱，并记录激光处于锁模状态时对应的角度。

3. 利用商用偏振计测量值建立反馈回路以自动对准PSC

  1. 关闭计算机。
  2. 将商用旋光仪的串行端口连接到计算机的串行端口 "COM1"。重新启动计算机和旋光仪。
  3. 启动图形化编程语言界面（GPLI），以便通过 "COM1" 读取旋光仪数据，并通过 "COM4" 控制电动PSC。
  4. 在GPLI中，单击 "Blank VI"，然后选择 "Window→Tile Left and Right"。
    注：屏幕将分为左右两部分。右侧显示的是程序框图，用于通过不同图标对应的不同功能创建脚本。左侧显示的是前面板，用于在脚本运行时显示命令和测量结果。
  5. 在GPLI的程序框图窗口中，开发一个用于商用旋光仪的ML自动化脚本（见图7）。
    注：该脚本从旋光仪读取 S1，并利用其数值进行反馈，以实现PSC角度的正确对准，从而达到ML。通过在改变角度时寻找 S1 变化中的不连续性，即可实现ML的检测。
    注：通过 "COM4" 控制PSC所使用的命令与步骤2.3和2.5中所述相同。通过 "COM1" 从商用旋光仪读取 S1 的命令为 "*SOP?\n"。
  6. 单击 "File→Save" 保存脚本，然后单击“→”按钮运行。PSC将首先回到其机械限位位置，随后以约1°的步进角度旋转，直至达到ML，并在过程中实时显示 S1 的变化值。

4. 构建一个简易的自制偏振分析仪

  1. 使用 GPIB 接口将示波器连接到计算机。
  2. 将偏振分束立方体（PBS）放置在光学平台上。
  3. 将三个 FC/APC 光纤端口准直器与 PBS 连接（图8）。
    注意：其中一个端口为输入端口，另外两个端口分别为信号的 x 和 y 偏振分量的输出端口。
  4. 将一个带光纤尾纤的 InGaAs PIN 光电二极管连接到第一个输出端口。
  5. 将光电二极管连接至跨阻放大电路（图9）。
  6. 将电路的电信号输出端连接至示波器的通道1。
  7. 打开跨阻放大电路的电源。
  8. 在 GPLI 中，通过 GPIB 连接读取示波器通道1的电压平均值，使用命令 "MEASU:IMM:SOU ch1;" 选择示波器通道1，"MEASU:IMM:TYPE mean;" 定义测量类型为平均电压，"MEASU:IMM:VAL?" 获取测量值，最后使用 "MEASU:IMM:UNI?" 获取测量单位。点击 "File→Save" 保存脚本，然后点击“→”按钮运行脚本。
  9. 将激光器的1%输出端连接至 PBS 的输入端口，并以任意泵浦功率开启激光器。这将向输入端发送一个波长为1550 nm的光信号。
  10. 测量第一个输出端口的平均电压。然后断开带光纤尾纤的光电二极管，替换为商用光功率计，测量该输出端口的光功率。
  11. 在改变输入光信号功率的情况下重复步骤4.10。电压应随光功率呈线性变化。确定该线性关系的系数。
    注意：该关系将在步骤4.20中用于从测得的电压计算 Px。
  12. 将第二个带光纤尾纤的 InGaAs PIN 光电二极管连接至 PBS 的第二个输出端口。
  13. 将该光电二极管连接至第二个跨阻放大电路。
  14. 将该电路的电信号输出端连接至示波器的通道2。
  15. 打开第二个跨阻放大电路的电源。
  16. 在 GPLI 中，通过 GPIB 连接读取示波器通道2的电压平均值，使用命令 "MEASU:IMM:SOU ch2;" 选择示波器通道2，"MEASU:IMM:TYPE mean;" 定义测量类型为平均电压，"MEASU:IMM:VAL?" 获取测量值，最后使用 "MEASU:IMM:UNI?" 获取测量单位。点击 "File→Save" 保存脚本，然后点击“→”按钮运行脚本。
  17. 以任意泵浦功率开启激光器。
  18. 测量第二个输出端口的平均电压。然后断开带光纤尾纤的光电二极管，替换为商用光功率计，测量该输出端口的光功率。
  19. 在改变输入光信号功率的情况下重复步骤4.18。确保电压随光功率呈线性变化。
    注意：确定该线性关系的系数。该关系将在步骤4.20中用于从测得的电压计算 Py。
  20. 在设置好第二个探测器以测量 Py 后，使用 GPLI 计算第一个斯托克斯参数 S1，其定义为 S1 = (Px-Py)/(Px+Py)。该自制的简易偏振分析仪现已准备就绪，可供使用。

5. 在自动化过程中用自制偏振分析仪替代商用偏振仪

  1. 将激光器的1%输出端连接到自制偏振分析仪的输入端（如步骤4.9中所述）。
  2. 通过重复步骤2.7，使用自制偏振分析仪（替代商用偏振计）测量第一个斯托克斯参数 S1 随PSC角度的变化关系（参见图10）。观察每一步中 S1 图形的自动更新情况。当发生模式跳跃（ML）时，可观察到 S1 值出现不连续跳变（使用商用偏振计时同样会出现此现象）。
    注意：使用GPLI脚本自动执行此任务。该脚本基于一个循环，以1°为步长改变PSC的角度（向"COM4"发送命令"SM,500,-10\n"），并在每一步从自制偏振分析仪读取 S1 的值。
  3. 修改在3.5中开发的脚本，使其不再使用商用偏振计提供的数值，而是从自制偏振分析仪获取 Px 和 Py，然后计算 S1 = (Px-Py)/ (Px+Py) 。
  4. 使用基于自制偏振分析仪的新脚本，以类似于步骤3.6的方式自动完成激光器的模式跳跃检测（ML）。

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结果

基于 NPR 的锁模光纤激光器已知可提供多种脉冲工作模式，例如调 Q 脉冲10、相干锁模脉冲、类噪声脉冲、锁模脉冲束缚态、谐波锁模以及相互作用锁模脉冲的复杂结构11。在本文所描述的激光器中，首先将 PSC 的双折射固定，以实现锁模；随后将泵浦功率调节至接近单脉冲锁模阈值附近。通过这种方式，竞争模式的数量被降至最低。在此泵浦功率下，根据 PSC 角度的不同，激光器呈现出不同的工作状态（图5），但未出现多脉冲模式。由于腔内光纤已预先调整并保持固定（一旦找到标准的单锁模脉冲即固定），因此避免了类噪声脉冲的出现12,13。实际上，腔体设计在这一方面可能也起到重要作用，但本文未对此进行深入研究。因此，仅存的剩余工作模式为连续波输出（CW）、调 Q 输出以及具有单个相干脉冲的稳定锁模状态。在连续波（CW）和调 Q 模式下，光谱表现为窄线宽（约 1 nm，有时受限于光谱分析仪的分辨率）。这些光谱应与锁模模式下的宽带光谱进行对比，后者半高全宽可达约 30 nm 甚至更宽。在快光电探测器上，...

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讨论

研究表明，通过采用基于输出偏振测量的反馈回路，可以实现对 NPR 光纤环形激光器的被动锁模（ML）自动化。为实现这一目标，关键在于在激光腔内插入一个可调节的偏振敏感控制器（PSC）。输出耦合器必须位于偏振片之前，以便能够区分连续波（CW）信号与脉冲信号的偏振状态（图 2）。PSC 的双折射必须预先调节，以确保能够找到锁模状态，同时泵浦功率应设定在接近单脉冲锁模阈值的位置，从而在腔内获得单个脉冲，并最小化可能出现的竞争模式数量。这解释了在实验中，为何通过沿特定方向连续扫描角度自动找到的锁模状态始终相同。用于在输出端检测锁模状态的参数是 S1。该参数随着腔内 PSC 角度的扫描而连续变化，唯一的例外是当达到锁模状态时，S1 的值会出现不连续的跃变。因此，实现微小角度增量的调节至关重要。若采用较大的角度步长，可能难以区分突变与"正常"变化，还可能跳过通向锁模状态的小角度范围而无法察觉。微小的调节步长还可确保锁模状态始终一致，因为系统不会随机落入锁模区域内的任意位置，而是总能检测到...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨此感谢Christian Olivier和Philippe Chrétien在电子学方面提供的宝贵帮助，感谢GiGa Concept Inc.的Éric Girard对电动偏振控制器的支持，感谢Réal Vallée教授出借商用偏振仪，以及感谢Michel Piché教授参与的诸多富有成效的讨论。

本工作由魁北克自然科学与技术研究基金会（Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies，FRQNT）、加拿大自然科学与工程研究理事会（Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada，NSERC）以及加拿大暑期就业项目资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
裸光纤适配器BulletNGB-14
插入式偏振控制器General Photonics Corp.Polarite PLC-006手动偏振控制器。
DSP在线偏振分析仪General Photonics Corp.POD-101D PolaDetect具备USB/串口计算机连接功能的偏振分析仪。
光纤切割刀FitelS323
光纤端口Thorlabs Inc.PAF-X-2-C
固定式光纤对光纤耦合平台Thorlabs Inc.FBC-1550-APC可使用任意光学平台。三向平台甚至更优。
熔接机FujikuraFSM-40PM
高分辨率全光纤偏振控制器Giga Concept Inc.GIG-2201-1300具备USB计算机连接功能的全光纤电动偏振控制器。
InGaAs PIN光电探测模块OptowayPD-1310带尾纤的光电二极管。
仪器通信接口National InstrumentsNI MAX随National Instruments驱动程序（NI-VISA、NI-DAQmx、等）一并提供
运算放大器Texas InstrumentsTLO81ACP
光功率计Newport818-IS-1 with 1835-C
光谱分析仪AnritsuMS9710C
示波器TektronixTDS2022具备GPIB计算机连接功能的示波器。
偏振分束器模块Thorlabs Inc.PSCLB-VL-1550
聚酰亚胺薄膜胶带3M5413用于将组件固定在桌面上而不损伤光纤的胶带。
图形化编程语言接口（GPLI）National InstrumentsLabVIEW用于G编程语言编程及与实验室仪器通信的接口。
偏振分析仪控制软件General Photonics Corp.PolaView随General Photonics POD-101D偏振分析仪配套提供。

参考文献

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