Advanced Photonics | 混合微光纤谐振器的超快激光秀

来源：中国激光

Advanced Photonics2020年第2期论文：

Zi-xuan Ding, Zi-nan Huang, Ye Chen, et al. All-fiber ultrafast laser generating gigahertz-rate pulses based on a hybrid plasmonic microfiber resonator[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(2): 026002

高重复频率超短脉冲激光因其在光通信、微波光子学、光频梳产生和光谱学等领域广泛的应用价值而在近年来备受关注。作为产生超短脉冲激光最有效的方式，锁模从上个世纪末至今也经历了较大的发展。所谓锁模，即将激光谐振腔内的纵模间相位锁定，使纵模有规律地相干，从而产生周期性光脉冲的技术。脉冲序列周期的倒数，就是它的重复频率，简称重频。

由于传统的锁模脉冲重频与纵模间隔对应，而纵模间隔又由腔长决定，因此普通锁模脉冲重频通常被限制在1 GHz以下。提高重频的方法主要包括缩短腔长、主动锁模以及谐波锁模，但这些方法往往会带来腔内损耗较大、脉冲质量下降以及脉冲稳定性差等问题，且重频依然在数十GHz左右。

1997年，研究人员提出了利用调制不稳定性产生高重频脉冲的锁模方式，即耗散四波混频（DFWM）锁模。这种方式的核心器件是梳状多波长滤波器和高非线性元件。自此，利用各种梳状滤波器和相当长的高非线性光纤串联的DFWM锁模方案不断出现并被实验证明，脉冲重频也提高到了数百GHz甚至THz量级。然而动辄数十上百米的高非线性光纤，引入的损耗与制造的成本也相当可观。2012年，Peccianti等人展示了一种基于二氧化硅微腔的200 GHz超快光纤激光器。在这台激光器中，微腔同时扮演了梳状滤波器和高非线性组件的角色。但是，高品质的硅基微腔的制备工艺复杂、价格昂贵，与光纤激光的结合常伴有非常大的耦合损耗等问题。因此，有必要考虑一种低成本、全光纤、较高非线性的谐振腔，来通过DFWM产生高重频超短脉冲激光。

来自南京大学和上海大学的研究者们合作展示了一种在基于新型微光纤器件的激光器中实现DFWM锁模高重频脉冲输出和光频梳产生的新思路。提出了一种混合等离激元微光纤结形谐振腔（HPMKR）的新结构，同时基于此器件构建了全光纤超快激光器。该研究团队首次提出了“非线性偏振旋转激发的耗散四波混频”工作机制，实现了百GHz以上高重频超短激光脉冲的长期稳定输出。研究成果发表在Advanced Photonics2020年第2期上。

由于微光纤具有强倏逝场、低插入损耗以及兼容全光纤体系的优势，基于微光纤的器件，特别是微光纤谐振腔被广泛采用。此外，由于极细的直径和空气包层的缘故，拉锥而成的微光纤和普通单模光纤相比往往具有非常大的非线性。例如一个腰区直径2 μm的微光纤，其非线性系数γ大约是标准单模光纤的50倍（1550 nm附近）。尽管这个数值与硅基波导相比略小，但是极低的成本和简易的制备工艺使得微光纤谐振腔有着独特的应用优势。

(a) HPMKR的结构示意图和样品的显微照片（小图）；(b) HPMKR的透射谱和Q值测量结果（小图）；(c)基于HPMKR的激光器结构：WDM，波分复用器；EDF，掺铒光纤；PI-ISO，偏振无关光隔离器；PC，偏振控制器；OC，耦合器；OSA，光谱仪；RSA，频谱仪；(d) (1-4)基于不同FSR的样品的HPMKR激光器输出的光谱，每个光谱对应的自相关信号分别展示在(5-8)。

本文的核心器件，即HPMKR，其结构较为精巧。将利用拉锥而成的微光纤打结获得结形谐振腔，再将其置于镀金玻片的金层上，二者将通过静电力结合。之后再使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）将结构封装起来，待PDMS固化即得到稳定的器件。通常来说微光纤谐振腔的Q值在104以下，但本文中，通过控制制备过程使得实验中获得的样品Q值接近106。同时考虑到金与微光纤波导的结合将激发表面等离极化激元，结构的不对称性将导致器件具有很强的偏振相关特性。实验表征的样品中，偏振相关损耗（PDL）最大的可以达到19.75 dB。

由于HPMKR器件本身基于光纤，将制备好的HPMKR器件熔接至环形光纤激光谐振腔中可以得到一个全光纤的体系。通过调节泵浦和偏振控制器，器件较大的PDL使激光腔内出现了非线性偏振旋转效应（NPR），激光腔纵模有规律地相干形成了调Q或者NPR锁模的脉冲，提高了腔内的瞬时功率，从而弥补了微光纤非线性相对硅基波导的不足。由此，HPMKR中的微光纤谐振腔内实现了DFWM的有效激发，最终使得HPMKR的谐振模式通过DFWM锁模，实现高重频超短脉冲输出。输出脉冲的重频与HPMKR透射谱的自由光谱曲（FSR）对应，这也是DFWM锁模的基本特征。