高重复频率被动锁模掺铒光纤激光器及其噪声特性的研究

论文摘要

被动锁模光纤激光器以其脉冲宽度窄、时间抖动低、结构紧凑、系统稳定等优点,在很多应用领域得到广泛应用,例如光学频率梳、微波光子雷达、低噪微波信号提取、高速全光采样、光学任意波形产生等。在过去几十年中,由于增益光纤的单位长度增益不足,被动锁模光纤激光器的脉冲重复频率一直处于100 MHz量级,限制了它更广泛的应用。近年来,随着增益光纤和可饱和吸收体等技术的不断发展,被动锁模光纤激光器的重复频率有了大幅提升的空间,从而成为光纤激光器领域的研究热点。在光学频率梳、微波光子雷达等低噪系统中作为核心部件的被动锁模激光器,其噪声特性会直接影响整个系统的性能,对其噪声特性进行研究分析具有重要的学术价值和重大的应用前景。本文从理论和实验两方面对不同类型高重复频率被动锁模光纤激光器进行了详细研究,实现了GHz重复频率稳定的飞秒脉冲序列产生,深入地研究了激光器的噪声特性,分析了噪声的来源,为进一步实现高质量的低噪系统提出了优化方法。论文的主要工作和创新如下:1.研究了基于非保偏器件的GHz量级的被动锁模掺铒光纤激光器,提出了高重复频率激光器系统的噪声优化方案。通过采用细纤芯的高增益光纤和较低耦合输出比的方案,成功将掺铒光纤振荡器的脉冲重复频率从100MHz提高到GHz量级,先后研制了1 GHz、2.68 GHz、3.7 GHz稳定的锁模激光器。对2.68 GHz锁模激光器输出脉冲进行放大和压缩,最终得到光谱宽度19.2 nm,脉冲宽度244fs,平均功率403 mW的飞秒脉冲序列。通过对振荡器和放大器输出脉冲噪声特性的测量与对比,发现放大过程中过度放大的自发辐射（Amplified spontaneous emission,ASE）噪声是导致时间抖动恶化的主因,可通过优化增益光纤长度和泵浦功率提高了噪声性能。2.研究了基于保偏器件的高重复频率被动锁模掺铒光纤激光器,输出脉冲的重复频率为1.013 GHz,时域宽度为599 fs,光谱宽度为7.9 nm,射频信号信噪比达到70 dB,其偏振度达到0.9994,实现了具有高线性偏振度的GHz重复频率飞秒脉冲序列的输出。提出了通过调节激光器泵浦功率优化短腔内工作波长实现腔内色散微补偿的方法,通过调节激光器的泵浦功率使激光器的工作波长处于1553.9 nm,使腔内色散接近零,从而优化激光器噪声性能,获得了低噪声的脉冲序列。为降低激光器强度噪声对时间抖动的影响,在激光器的第七次谐波上对时间抖动进行测量,结果仅为11.7 fs,展示了激光器优良的低噪特性。3.研究了L-band（1565 nm-1625 nm）、GHz量级重复频率的被动锁模光纤激光器。通常掺铒光纤激光器需要采用长增益光纤或腔内滤波器才能将工作波长移动到L-band,由于短腔长的原因,高重频光纤激光器无法采用上面两种途径。通过降低腔内损耗和使用高增益光纤,高重频光纤激光器的工作波长被成功移动到1608.8 nm处,且重复频率达到1.013 GHz,其脉冲宽度为229 fs,光谱宽度为13.6 nm。基于激光器参数和非线性薛定谔方程,建立了高重频被动锁模光纤激光器的数值模型,基于数值仿真结果研究了脉冲从随机噪声信号到稳定锁模信号的演化过程,揭示了高重频光纤激光器的运转机理。4.开展了高重复频率被动锁模光纤激光器的噪声特性研究。搭建了一个586 MHz被动锁模光纤激光器,测量了激光器射频谱中不同谐波上的时间抖动和相位噪声,结果表明时间抖动随谐波次数增大而降低,与理论计算结果一致。通过对不同谐波上的相位噪声进行详细分析,发现强度噪声耦合导致的时间抖动会随着谐波次数的增大而逐渐消失,高次谐波上的时间抖动主要受到ASE噪声影响,分析表明可以通过抑制ASE噪声降低高频光生微波信号的时间抖动。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 被动锁模激光器
•     1.2.1 脉冲形成机制
•     1.2.2 锁模方式
•   1.3 高重复频率被动锁模光纤激光器的研究意义及现状
•   1.4 锁模激光器噪声特性的研究意义及现状
•   1.5 本文研究内容
• 第二章 脉冲在光纤中的传播方程及锁模激光器的噪声理论
•   2.1 引言
•   2.2 脉冲在光纤中的传播方程
•     2.2.1 色散效应
•     2.2.2 非线性效应
•     2.2.3 脉冲在光纤中的传播方程及数值解法
•   2.3 锁模激光器噪声理论
•   2.4 时间抖动的噪声来源
•   2.5 激光器噪声测量方法
•   2.6 本章小结
• 第三章 非保偏高重频被动锁模光纤激光器的研究
•   3.1 引言
•   3.2 重频2.68 GHz被动锁模光纤激光器
•   3.3 低功率光脉冲信号的放大及压缩
•   3.4 重频2.68 GHz被动锁模光纤激光器的噪声研究
•   3.5 不同重复频率的被动锁模光纤激光器
•     3.5.1 重频3.7 GHz被动锁模光纤激光器
•     3.5.2 重频14.48 GHz被动锁模光纤激光器
•   3.6 本章小结
• 第四章 保偏高重频被动锁模光纤激光器的研究
•   4.1 引言
•   4.2 重频1 GHz保偏被动锁模光纤激光器实验装置
•   4.3 实验结果与分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 L-band高重频被动锁模光纤激光器的研究
•   5.1 引言
•   5.2 L-band高重频激光器的实验装置
•   5.3 实验结果与分析
•   5.4 高重频光纤激光器的仿真结果
•   5.5 本章小结
• 第六章 高重频被动锁模光纤激光器的噪声研究
•   6.1 引言
•   6.2 重频586MHz被动锁模光纤激光器参数
•   6.3 高次谐波的相位噪声及时间抖动
•   6.4 不同输出比例对激光器的噪声特性的影响
•   6.5 光生微波信号与电微波信号源的噪声对比
•   6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
•   7.1 论文的主要研究成果及创新
•   7.2 展望
• 参考文献
• 附录A 图表索引
• 附录B 英文缩略词对照
• 致谢
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 宋家争

导师: 张建国,刘元山

关键词: 被动锁模掺铒光纤激光器,高脉冲重复频率,噪声特性

来源: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

分类号: TN248

DOI: 10.27605/d.cnki.gkxgs.2019.000047

总页数: 123

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