阅读说明：本技术 基于外部时钟同步的高速调制锁模掺钬光纤激光器 (High-speed modulation mode-locking holmium-doped fiber laser based on external clock synchronization ) 是由 马万卓 林鹏 王天枢 赵德胜 刘润民 姜会林 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：基于外部时钟同步的高速调制锁模掺钬光纤激光器,属于光信息技术领域,为了解决现有技术的激光器结构难以应用到空间光通信的问题,该激光器包括掺铥光纤激光器、掺铥光纤放大器与第一波分复用器的反射端依次连接,第一波分复用器公共端与掺钬光纤、第一电光调制器与第一耦合器的一分路连接连接,第一耦合器的另一个分路作为激光输出端,第一耦合器的公共端、第一光滤波器与第一波分复用器透射端连接,构成全光纤谐振腔结构；射频信号源具有两个输出端,其中一输出端与微波放大器连接,微波放大器与第一电光调制器连接,射频信号源另一输出端、第二电光调制器、第二耦合器、眼图仪与第二电光调制器连接,作为调制信号反馈,从而实现外部时钟同步。(The laser comprises a thulium-doped fiber laser, a thulium-doped fiber amplifier and a reflection end of a first wavelength division multiplexer, wherein the reflection end of the first wavelength division multiplexer is sequentially connected, the common end of the first wavelength division multiplexer is connected with a holmium-doped fiber, a first electro-optic modulator and a branch of a first coupler, the other branch of the first coupler is used as a laser output end, and the common end of the first coupler and a first optical filter are connected with the transmission end of the first wavelength division multiplexer to form an all-fiber resonant cavity structure; the radio frequency signal source is provided with two output ends, one of the output ends is connected with the microwave amplifier, the microwave amplifier is connected with the first electro-optical modulator, and the other output end of the radio frequency signal source, the second electro-optical modulator, the second coupler and the eye pattern instrument are connected with the second electro-optical modulator and used as modulation signal feedback, so that the synchronization of an external clock is realized.)

基于外部时钟同步的高速调制锁模掺钬光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种基于外部时钟同步的高速调制锁模掺钬光纤激光器，属于光信息技术领域。

背景技术

锁模光纤激光器用来产生时域脉宽小于皮秒量级的超短脉冲激光，可将脉冲能量和峰值功率提升几个数量级，因此锁模光纤激光器在材料加工、激光医疗、光通信、遥感、中红外光源产生等领域具有重要的应用。

相较于其它类型锁模激光器，锁模光纤激光器的一个明显优势是可以产生稳定的高重复频率超短脉冲激光，而重复频率在千兆赫兹以上的锁模光纤激光器是高速数字传输系统的理想光源。此外，由于锁模脉冲具有较高的峰值功率，可以更好地抵抗激光在大气中的传输损耗，因此高重复频率锁模光纤激光器在自由空间光通信领域具有不可替代的应用价值。

目前，在全光纤谐振腔中产生高重复频率锁模超短脉冲有以下三种方案：1、采用短腔长的被动基频锁模结构；2、采用高阶谐波的被动锁模结构；3、采用电光调制的高阶谐波主动锁模结构。方案1通过缩短腔长的方式可增加基频锁模脉冲的重复频率，然而由于光纤器件固有的尾纤长度，腔长无法被无限地缩减，使基频脉冲的重复频率难以突破千兆赫兹量级，难以满足光通信系统的容量需求。方案2中通过增加泵浦功率或非线性累积等方式获得高阶谐波锁模脉冲，可大幅度提升被动锁模脉冲的重复频率，然而被动锁模激光工作在高阶谐波锁模状态时，受超模噪声影响，获得的千兆赫兹量级锁模脉冲具有较低的信噪比，导致该方案难以满足光通信系统的稳定性需求。方案3中采用铌酸锂等电光材料对腔内纵模进行主动调制，可产生千兆赫兹重频以上的稳定的锁模脉冲，然而在实际通信系统中，锁模脉冲和调制信号的时域同步存在一定困难，导致调制信号难以加载到锁模激光上。此外上述三个方案的激光器结构中大多采用掺铒、掺镱光纤作为增益介质，得到的锁模脉冲工作在1.55微米和1微米波段，相应波段通常适用于传统光纤通信系统，对于以大气作为传输介质的空间光通信系统，上述两个波段激光在大气传输中存在着较强的散射并且易受湍流影响。

发明内容

本发明为了解决现有技术的激光器结构难以应用到空间光通信的问题，提出了一种基于外部时钟同步的高速调制锁模掺钬光纤激光器，实现了锁模脉冲与调制信号的时域同步，并将输出激光波段扩展到2.05微米，可作为高速空间激光通信的理想光源。

本发明采用以下技术方案：

基于外部时钟同步的高速调制锁模掺钬光纤激光器，其特征在于，掺铥光纤激光器与掺铥光纤放大器连接，掺铥光纤放大器与第一波分复用器的反射端连接，第一波分复用器公共端与掺钬光纤连接，掺钬光纤与第一电光调制器连接，第一电光调制器与第一耦合器的一分路连接连接，第一耦合器的另一个分路作为激光输出端，第一耦合器的公共端与第一光滤波器连接，第一光滤波器与第一波分复用器透射端连接，构成全光纤谐振腔结构；射频信号源具有两个输出端，其中一输出端与微波放大器连接，微波放大器与第一电光调制器连接，实现锁模脉冲的调制信号加载，射频信号源另一输出端与第二电光调制器连接，第二电光调制器与第二耦合器连接，第二耦合器与眼图仪连接，眼图仪与第二电光调制器连接，作为调制信号反馈，从而实现外部时钟同步。

本发明的有益效果：

本发明采用自主设计的外部时钟同步结构，在高调制频率的工作状态下，仅使用一个射频信号源实现了锁模脉冲与调制信号的时域同步，改善了传统锁模激光器在光通信系统中调制结构复杂的问题，本发明结构简单、可靠性高，可直接应用于多种高速光通信系统。

本发明采用掺钬光纤作为增益介质，掺铥光纤激光作为相应泵浦源，输出激光波长位于2微米至2.1微米之间，处于大气传输的高透过率窗口，因此本发明在空间激光通信、激光雷达等领域具有不可替代的优势与广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于外部时钟同步的高速调制锁模掺钬光纤激光器结构示意图。

图2为掺铥光纤激光器结构示意图。

图3为掺铥光纤放大器结构示意图。

图4为输出激光光谱。

图5为2.02GHz锁模脉冲时域序列。

图6为锁模脉冲自相关曲线。

图7为锁模脉冲频谱。

图8为调制频率为1GHz时调制的锁模脉冲时域序列。

图9为调制的并经过大气传输后的锁模脉冲眼图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

如图1所示，基于外部时钟同步的高速调制锁模掺钬光纤激光器，包括掺铥光纤激光器1、掺铥光纤放大器2、第一波分复用器3、掺钬光纤4、第一电光调制器5、第一耦合器6、第一光滤波器7、射频信号源8、微波放大器9、第二电光调制器10、第二耦合器11和眼图仪12。

掺铥光纤激光器1与掺铥光纤放大器2连接，掺铥光纤放大器2与第一波分复用器3的反射端连接，第一波分复用器3公共端与掺钬光纤4连接，掺钬光纤4与第一电光调制器5连接，第一电光调制器5与第一耦合器6的一分路连接连接，第一耦合器6的另一个分路作为激光输出端，第一耦合器6的公共端与第一光滤波器7连接，第一光滤波器7与第一波分复用器3透射端连接，构成全光纤谐振腔结构。

射频信号源8具有两个输出端，其中一输出端与微波放大器9连接，微波放大器9与第一电光调制器5连接，实现锁模脉冲的调制信号加载，射频信号源8另一输出端与第二电光调制器10连接，第二电光调制器10与第二耦合器11连接，第二耦合器11与眼图仪12连接，眼图仪12与第二电光调制器10连接，作为调制信号反馈，从而实现外部时钟同步。

调节掺铥光纤激光器1的输出波长及功率，并通过掺铥光纤放大器2进行功率放大，放大后的泵浦光通过第一波分复用器3注入到掺钬光纤4，产生的2.1μm波段增益光首先入射至第一电光调制器5，其强度被周期调制，并继续入射至第一耦合器6，同时提供腔内反馈及激光输出，反馈光入射至第一光滤波器7进行超模噪声抑制，从而形成高重频的锁模脉冲。射频信号源8的两个输出端发射同波形的射频信号，其中一路射频信号经微波放大器9进行电学放大，从而驱动第一电光调制器5，另一路射频信号直接输入至第二电光调制器10，实现对锁模脉冲的再次调制，再次调制的锁模脉冲通过第二耦合器11入射至眼图仪12进行光电转换，转换后的锁模脉冲电信号反馈至第二电光调制器10，实现锁模脉冲与调制信号的时钟同步。

如图2所示，掺铥光纤激光器1由第一泵浦源1-1、第二波分复用器1-2、第一掺铥光纤1-3、第一光隔离器1-4、偏振控制器1-5、第二光滤波器1-6、第三耦合器构成1-7依次连接构成，第三耦合器1-7的其中一分束端作为激光输出。

如图3所示，掺铥光纤放大器2由第二泵浦源2-1、第三波分复用器2-2、第二掺铥光纤2-3、第二光隔离器2-4依次连接构成，第二光隔离器的右端作为输出端。

所述射频信号源8发出的调制信号为正弦、三角、方波任意波形射频信号，调制频率需为谐振腔纵模间隔的整数倍。

所述射频信号源8为外置有源设备，眼图仪12为外置测试设备，上述两个器件均可采用其它商用化产品替代，系统集成时为减小尺寸不需封装在样机内部。

开启第一泵浦源1-1功率至1W，调节第二光滤波器1-6使掺铥光纤激光器1的输出激光波长固定在1900nm，输出功率为毫瓦量级，此时开启第二泵浦源2-1功率至5W，1900nm激光被放大至1W以上。1900nm激光通过第一波分复用器3注入并泵浦掺钬光纤4，产生2.1μm波段处增益。射频信号源8发射重复频率为2.02GHz的正弦模拟信号，其频率为谐振腔纵模间隔整数倍，射频信号通过微波放大器9放大并驱动第一电光调制器5，从而实现锁模。射频信号源8另一端口发射1GHz的伪随机射频信号至第二电光调制器10，实现对锁模脉冲的再次调制，调制后的锁模脉冲在眼图仪12处进行光电转换，转换后的锁模脉冲电信号反馈至第二电光调制器10，实现时钟同步。

图4为输出激光光谱，通过调节第一光滤波器7，输出激光波长可在2035-2050nm范围内连续调谐。

图5为2.02GHz锁模脉冲时域序列，在8ns的扫描范围内，锁模脉冲序列具有较好的平坦度，无失锁现象产生，通过调节射频信号源8的调制频率可改变锁模脉冲重复频率。

图6为锁模脉冲自相关曲线，重复频率为2.02GHz时，锁模脉冲的脉宽为40ps。

图7为锁模脉冲频谱，重复频率为2.02GHz时，基频信号频谱信噪比为44.85dB，说明锁模脉冲工作在较低的噪声环境中。

图8为调制频率为外部时钟同步后，被调制的锁模脉冲时域序列，锁模脉冲可被伪随机信号调制成任意形状的脉冲包络。

图9为调制的锁模脉冲眼图，调制后的锁模脉冲经1千米长度的等效大气信道传输，探测端的脉冲信号在时域累积，经眼图仪观测，信噪比可达到18.4dB，说明此时调制信号具有较低的噪声，因此本发明基于外部时钟同步的高速调制锁模掺钬光纤激光器可直接作为高速空间光通信系统的光源。