本發(fā)明涉及高重頻超短脈沖信號(hào)領(lǐng)域，具體為一種基于石墨烯微腔鎖模的高重頻超短脈沖產(chǎn)生方法及裝置，可用于光通信、國防安全、天文學(xué)、高速全光模數(shù)轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)學(xué)、微加工等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

數(shù)字系統(tǒng)在穩(wěn)定性、抗干擾能力、處理精度、集成度等方面相比模擬系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)勢。然而自然界存在的信息大都以模擬信號(hào)的形式存在，必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。光纖通信以其巨大的傳輸容量，良好的抗干擾能力，高速率和低誤碼率等優(yōu)點(diǎn)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，而40G、OTN、ASON等新傳輸技術(shù)不斷涌現(xiàn)，下一代光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及光計(jì)算的發(fā)展也要求信息全部在光域中實(shí)現(xiàn)高速、并行的數(shù)字光學(xué)信息處理，迫切需要拋棄“光-電-光”的轉(zhuǎn)換。綜合分析，對光模擬信號(hào)利用全光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)高采樣速率、高量化精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換成為迫切解決的問題。全光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)中的采樣激光脈沖源的重復(fù)頻率、脈沖寬度、穩(wěn)定性等直接決定了模數(shù)轉(zhuǎn)換的性能，因此研制一種高重頻、窄脈寬、低抖動(dòng)的激光脈沖源成為目前迫切需要解決的問題。

光纖激光器相對于固體激光器具有成本低廉、體積小、重量輕、無需光路準(zhǔn)直、散熱快、損耗小、激光閾值低等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已成為激光領(lǐng)域充滿創(chuàng)新活力和創(chuàng)新機(jī)遇的重要方向[Nat. Photonics，Vol. 4，p. 307- 311，2010和Nature，Vol. 424，p. 831-838，2003]。超短激光脈沖在光通信、國防安全、天文學(xué)、高速全光模數(shù)轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)學(xué)、微加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為國家戰(zhàn)略和高端產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)之一。關(guān)于光纖激光器的研究，在理論和工程技術(shù)方面都取得了重大突破。

光纖激光器產(chǎn)生高重復(fù)頻率激光脈沖的方法有主動(dòng)鎖模技術(shù)及被動(dòng)鎖模技術(shù)。而被動(dòng)鎖模光纖激光器相對于主動(dòng)鎖模光纖激光器具有重復(fù)頻率不受電子瓶頸的限制、結(jié)構(gòu)簡單、輸出穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)。被動(dòng)鎖模光纖激光器，可通過縮短腔長提高基礎(chǔ)重復(fù)頻率[Opt. Commun. ，Vol. 284，p. 4203-4206，2011]、諧波鎖模增加激光腔內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)[Opt. Lett. ，Vol. 37，p. 3522-3524，2012]、基于耗散四波混頻效應(yīng)（濾波四波混頻效應(yīng)）鎖模[IEEE J. Quantum Electron. ，Vol.42，p. 1038-1046，2006]來提高重復(fù)頻率。通過縮短腔長一定程度上可以增加激光器的重復(fù)頻率，但是過短的腔長很難為激光器提供足夠的增益實(shí)現(xiàn)鎖模，并且超短諧振腔的制作較難。此外，多脈沖諧波鎖模技術(shù)也被用于產(chǎn)生高重頻脈沖，諧波鎖模光纖激光器遇到一個(gè)常見的問題是除非采取穩(wěn)定技術(shù)，否則無法在較長周期上產(chǎn)生穩(wěn)定且等振幅的脈沖序列，并且重復(fù)頻率的最大值仍然在20GHz左右。

基于四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高重頻激光脈沖輸出雖然已取得了重大突破，但是這種鎖模脈沖的信噪比比較低、穩(wěn)定性較差，無法滿足全光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)中對采樣脈沖源的要求。主要原因是四波混頻效應(yīng)需要較高的非線性，導(dǎo)致腔長較長，相鄰縱模間距較小，通常為MHz或者更小，以致每個(gè)濾波通道內(nèi)包含多個(gè)縱模，并且縱模的相位隨機(jī)起伏引起低頻噪聲，嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。除此以外，引起激光脈沖抖動(dòng)的因素一般還包括自發(fā)輻射噪聲引起的抖動(dòng)、光纖的色散導(dǎo)致中心頻率漂移引起的抖動(dòng)（Gordon-Haus抖動(dòng)）、幅度不均勻引起的抖動(dòng)[Jpn. J. Appl. Phys. ，Vol. 44，p. 1621-1625，2005]。要解決以上問題需要尋求新的濾波技術(shù)抑制多縱模振蕩，尋求高非線性器件減少腔長、增大相鄰縱模之間的間距，合理設(shè)計(jì)腔形結(jié)構(gòu)減少三種抖動(dòng)的影響，是提高高重頻激光器穩(wěn)定性的有效方式。近期就報(bào)道了利用四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高重頻激光脈沖輸出[Nature Communications，Vol. 3，p. 765，2012]。但是CMOS微腔不是光纖結(jié)構(gòu)，會(huì)引入CMOS微腔與光纖器件耦合效率較低，損耗較大的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)激光器鎖模輸出需要的泵浦功率較高。該激光器沒有降噪處理，穩(wěn)定性還有待提高。

近年來，微納光纖技術(shù)為實(shí)現(xiàn)高重頻光纖激光器提供了新的研究思路和實(shí)驗(yàn)途徑。利用火焰加熱兩步拉制法，已經(jīng)拉出直徑為50nm的低損耗光纖，實(shí)現(xiàn)了包括微納諧振腔在內(nèi)的多種光學(xué)器件。基于微納諧振腔的研究結(jié)果表明：微納諧振腔具有頻率濾波作用，可以作為窄線寬、多通道的光譜濾波器。光纖微腔濾波器與其它濾波器相比具有諸多優(yōu)勢：（1）極高的非線性系數(shù)；（2）窄線寬濾波特性；（3）與傳統(tǒng)的光纖器件兼容。因此，可以利用微納諧振腔的高非線性減少腔長、增大縱模間隔，利用微納諧振腔的窄線寬濾波特性抑制多縱模振蕩，有望實(shí)現(xiàn)高重頻超短脈沖輸出。

近年來基于石墨烯鎖模的光纖激光器進(jìn)行了大量研究，研究結(jié)果表明石墨烯材料具有抑制自發(fā)輻射噪聲的作用[Optics Express，Vol. 21，p. 26533-26541，2013]。

因此，可在微納諧振腔上涂敷石墨烯，研制一種新型的鎖模器件（簡稱石墨烯微腔）。利用石墨烯微腔減少自發(fā)輻射噪聲、抑制多縱模振蕩，設(shè)計(jì)激光器在近零色散附近降低Gordon-Haus抖動(dòng)，研制高重頻、窄脈寬、低抖動(dòng)的鎖模光纖激光器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決目前傳統(tǒng)光纖激光器的脈沖重復(fù)頻率較低、脈沖寬度較寬、系統(tǒng)的穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，提供了一種基于石墨烯微腔鎖模的高重頻超短脈沖產(chǎn)生方法及裝置。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于石墨烯微腔鎖模的高重頻超短脈沖產(chǎn)生裝置，包括波分復(fù)用器，所述波分復(fù)用器的輸出端與摻鉺光纖的輸入端連接，所述摻鉺光纖的輸出端與偏振無關(guān)隔離器的輸入端連接，所述偏振無關(guān)隔離器的輸出端通過第一偏振控制器與連接石墨烯微腔的輸入端連接，所述石墨烯微腔的輸出端通過第二偏振控制器與輸出耦合器的輸入端連接，所述輸出耦合器的一輸出端作為鎖模脈沖輸出端、其另一輸出端通過光纖與波分復(fù)用器的一輸入端連接、其另一輸入端與單色激光源連接。

使用時(shí)，該裝置包括工作波長為980nm單色激光源、980/1550nm的波分復(fù)用器、摻鉺光纖、偏振無關(guān)隔離器、石墨烯微腔和輸出耦合器。980nm單色激光源作為泵浦光源；泵浦光源通過所述的980/1550 nm的波分復(fù)用器對所述的摻鉺光纖進(jìn)行泵浦抽運(yùn)；偏振無關(guān)隔離器的作用是抑制后向反饋，以保證環(huán)形腔激光器單向運(yùn)轉(zhuǎn)；偏振無關(guān)隔離器緊接著通過石墨烯微腔和輸出耦合器，形成閉合回路。

一種基于石墨烯微腔鎖模的高重頻超短脈沖產(chǎn)生的方法，980nm單色激光源作為泵浦光源，經(jīng)980/1550 nm的波分復(fù)用器對摻鉺光纖進(jìn)行泵浦抽運(yùn)，再通過偏振無關(guān)隔離器抑制后向反饋，然后利用石墨烯微腔高非線性、窄線寬、自由光譜范圍較大、調(diào)制深度較大、非可飽和吸收損耗小的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率上百GHz、脈沖寬度為百fs、低抖動(dòng)的鎖模脈沖通過耦合器輸出。濾波四波混頻效應(yīng)：具有周期性透射峰的光學(xué)濾波器，相鄰?fù)干浞彘g隔為，于是產(chǎn)生間隔為的譜帶，在高非線光纖內(nèi)產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生附加的邊帶，并為這些邊帶提供相位鎖定，激光器輸出重復(fù)頻率為或其整數(shù)倍的脈沖序列。可飽和吸收效應(yīng)：當(dāng)光脈沖通過吸收體時(shí)，其邊翼部分的損耗大于中央部分的損耗，結(jié)果光脈沖在通過吸收體的過程中被窄化，在多次往返過程中，脈沖不斷窄化，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出。本發(fā)明方案中的微腔是一個(gè)具有多周期性透射峰的光學(xué)濾波器將會(huì)引起濾波四波混頻效應(yīng)，石墨烯材料起到可飽和吸收體的作用；因此，本方案實(shí)際是通過濾波四波混頻和可飽和吸收效應(yīng)兩種鎖模機(jī)制共同作用下，產(chǎn)生高重頻超短脈沖輸出。

本發(fā)明的工作原理包括：

1、微納諧振腔（石墨烯微腔）具有頻率濾波作用，可以作為窄線寬、多通道的光譜濾波器。光纖微腔濾波器具有極高的非線性系數(shù)、窄線寬濾波特性以及與傳統(tǒng)的光纖器件兼容。由于微納光纖的直徑為納米量級，光場被限制在極小的范圍內(nèi)，導(dǎo)致微納光纖的非線性系數(shù)較高；可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求控制微納諧振腔的Q值，研制滿足實(shí)驗(yàn)要求的窄線寬的微納諧振腔；由于微納諧振腔是由普通光纖組成，可以方便的與其它光纖器件耦合。可以利用微納諧振腔的高非線性減少腔長、增大縱模間隔，利用微納諧振腔的窄線寬濾波特性抑制多縱模振蕩，實(shí)現(xiàn)高重頻超短脈沖輸出。

2、微納諧振腔的自由光譜范圍為（其中：λ為入射光波長，n_eff為光纖的有效折射率，D為微腔的直徑）。為實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率為百GHz以上的超短脈沖輸出，最好將微腔的直徑控制在660μm以下；調(diào)制節(jié)區(qū)微納光纖的長度和距離，提高微腔的品質(zhì)因數(shù)，獲得窄線寬的透射譜輸出。

3、石墨烯的可飽和吸收特性使輸出脈沖時(shí)域變窄頻域變寬，根據(jù)Gordon-Haus抖動(dòng)的公式很容易得出此種結(jié)構(gòu)的光纖激光器可以降低激光脈沖的Gordon-Haus抖動(dòng)。除此以外，石墨烯可飽和吸收體對于抑制自發(fā)輻射噪聲也具有一定的作用。

4、利用濾波四波混頻效應(yīng)提高脈沖的重復(fù)頻率，制備高性能石墨烯微腔，結(jié)合石墨烯微腔可飽和吸收體抑制自發(fā)輻射噪聲、窄化脈沖寬度提高鎖模脈沖的穩(wěn)定性。

本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，基于石墨烯微腔鎖模的高重頻超短脈沖產(chǎn)生及裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，克服了傳統(tǒng)光纖激光器的脈沖重復(fù)頻率較低、脈沖寬度較寬、系統(tǒng)的穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，研制重復(fù)頻率為上百GHz、脈沖寬度為百fs、低抖動(dòng)、通信波段的被動(dòng)鎖模光纖激光器。

附圖說明

圖1表示本發(fā)明所述激光器裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2表示本發(fā)明所述激光器裝置中石墨烯微腔的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-980nm單色激光源，2-980/1550nm的波分復(fù)用器，3-摻鉺光纖，4-偏振無關(guān)隔離器，5a-第一偏振控制器，5b-第二偏振控制器，6-石墨烯微腔，7-輸出耦合器。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所述的基于石墨烯微腔鎖模的高重頻超短脈沖產(chǎn)生方法是將980nm單色激光源作為泵浦光源，經(jīng)980/1550 nm的波分復(fù)用器對摻鉺光纖進(jìn)行泵浦抽運(yùn)，再通過偏振無關(guān)隔離器抑制后向反饋，然后利用石墨烯微腔高非線性、窄線寬、自由光譜范圍較大、調(diào)制深度較大、非可飽和吸收損耗小的特點(diǎn)，通過濾波四波混頻和可飽和吸收效應(yīng)兩種鎖模機(jī)制共同作用實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖通過耦合器輸出。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

一種基于石墨烯微腔鎖模的高重頻超短脈沖產(chǎn)生裝置，包括980/1550nm的波分復(fù)用器2，所述980/1550nm的波分復(fù)用器2的輸出端與摻鉺光纖3的輸入端連接，所述摻鉺光纖3的輸出端與偏振無關(guān)隔離器4的輸入端連接，所述偏振無關(guān)隔離器4的輸出端通過第一偏振控制器5a與連接石墨烯微腔6的輸入端連接，所述石墨烯微腔6的輸出端通過第二偏振控制器5b與輸出耦合器7的輸入端連接，所述輸出耦合器7的一輸出端作為鎖模脈沖輸出端、其另一輸出端通過光纖與波分復(fù)用器2的一輸入端（1550nm）連接、其另一輸入端（980nm）與980nm單色激光源1連接。

該裝置是在數(shù)值模擬分析結(jié)果的基礎(chǔ)上搭建石墨烯微腔鎖模的光纖激光器，如圖1所示。在搭建過程中，選用高摻雜、低色散的摻鉺光纖、物理尺寸較小的光纖無源器件；選用電噪聲較小的泵浦源，采用雙向泵浦結(jié)構(gòu)為鎖模光纖激光器提供增益；將980nm單色激光源作為泵浦光源，泵浦光源通過980/1550nm的波分復(fù)用器對摻鉺光纖進(jìn)行泵浦抽運(yùn)，再通過偏振無關(guān)隔離器抑制后向反饋，來保證環(huán)形腔激光器單向運(yùn)轉(zhuǎn)，緊接著通過石墨烯微腔和輸出耦合器，形成閉合回路。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，利用石墨烯微腔搭建近零色散的鎖模光纖激光器。調(diào)整泵浦功率，微調(diào)偏振控制器給光纖激光器提供擾動(dòng)，使光纖激光器工作在穩(wěn)定的鎖模輸出狀態(tài)。微調(diào)激光器參數(shù)直到獲得比較穩(wěn)定的、百fs、百GHz以上的激光脈沖。（可采用自相關(guān)儀測量脈沖寬度，利用自相關(guān)曲線峰值之間間隔計(jì)算脈沖的重復(fù)頻率。）

制備高性能的石墨烯微腔：先利用火焰加熱模塊拉制韌性、平整度良好的微納光纖，在高倍顯微鏡下將微納光纖繞環(huán)研制微腔；再將石墨烯粉末倒入十二烷基硫酸鈉溶液中，進(jìn)行超聲攪拌，攪拌后的溶液進(jìn)行離心處理，濾除上層分離的溶液，把聚乙烯醇（PVA）粉末倒入超聲處理后的溶液中，繼續(xù)超聲攪拌數(shù)小時(shí)（大約5小時(shí)左右），形成石墨烯混合溶液；最后將繞制好的微腔放在玻璃片上，從側(cè)面滴入，完成石墨烯溶液的涂覆工作，從而制備出高性能石墨烯微腔，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

總之，基于石墨烯微腔鎖模的高重頻超短脈沖產(chǎn)生方法及裝置采用高非線性、窄線寬、自由光譜范圍較大、調(diào)制深度較大、非可飽和吸收損耗小的石墨烯微腔，利用濾波四波混頻效應(yīng)提高脈沖的重復(fù)頻率，并結(jié)合可飽和吸收體抑制自發(fā)輻射噪聲、窄化脈沖寬度提高鎖模脈沖的穩(wěn)定性，產(chǎn)生重復(fù)頻率上百GHz、脈沖寬度為百fs、低抖動(dòng)的脈沖信號(hào)。本激光器的實(shí)現(xiàn)促進(jìn)高重頻、窄脈寬光纖激光器的發(fā)展。

以上所述僅是對本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改，等同變化，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。