基于大规模集成光学芯片的新型可调谐锁模光纤激光器的研制

Tunable mode-locked lasers have many important applications in large capacity optical communication systems, ultra-fast optics, optical phased-array radar, and optical sensor, and become a hot research topic in optoelectronic area in resent years. The fabrication of stable and flexable tunable mode-locked lasers based on robust commercial available optical components is an urgent requirement for its large-scope field applications. In this project, a novel high stable structure for wavelength and repetition rate tunable mode-locked fiber laser based on mature commercially available opto-VLSI chip was proposed for the first time. The output wavelength and the pulse width can be tuned by program control of the opto-VLSI state; The polarization rotation effect within a short segment of nonlinear photonic crystal fiber act as a mode-locker; The harmonic order and the repitition rate of the output pulse can be tuned by inserting a electrically tunable optical attenuator in the cavity; To suppress the frequency and power fluctuation of the output laser, the piezoelectricity effect is used to lock the optical length and the resonant frequency of the cavity; Except for the photonic crystal fiber, all the fiber used in the device is polarization maintained for enhancing the stability and avoiding the use of unstable optical components such as polarization controller. The goal of this project is to fabricate a experimental prototype of tunable mode-locked fiber laser with novel structure and high performance stability.

可调谐锁模激光器在大容量光通信系统、超快光学测量、光学相控阵雷达和光传感等方面具有极其重要的应用价值，是当前光电子技术领域的一个研究热点。如何利用技术成熟的光学部件研制出具有高度性能稳定性和使用灵活性的可调谐锁模激光器是目前锁模技术大规模实际应用所急需解决的问题。本项目首次提出将技术相当成熟的大规模集成光学芯片（opto-VLSI）应用于具有高度稳定性、波长和输出脉冲重复率均可调谐的锁模光纤激光器的研制。器件通过对电寻址opto-VLSI的编程控制实现对激光器输出波长和输出脉冲宽度的连续调谐；利用一小段非线性光子晶体光纤中的偏振旋转效应实现锁模；通过在腔内插入电控可变衰减器对谐波锁模级次和输出脉冲重复频率进行调谐；利用压电效应实现对谐振腔光学长度和基频的锁定以抑制激光器的频率漂移和功率波动；器件采用全保偏结构以提高稳定性并避免偏振控制器等不成熟部件。最终研制出结构新颖、性能稳定的实验样机。

随着微机电系统（MEMS）、数字微镜元件（DMD）和硅基液晶（LCoS）等大规模光学集成(Opto-VLSI)芯片技术的快速发展，针对未来软件控制智能化全光网络对光电子器件的技术需求，将软件技术与光学和光电子技术相结合的各种新型智能化光电子器件技术研究正在受到越来越多的重视。可调谐锁模激光器在大容量光通信系统、超快光学测量、光学相控阵雷达和光传感等方面具有极其重要的应用价值，是当前光电子技术领域的一个研究热点。如何利用大规模光学集成芯片研制出具有高度灵活性的软件控制可调谐锁模激光器具有重要的研究意义和实际价值。本项目通过建立较为完善的锁模光纤激光器理论模型和相应的数值仿真程序以及多种有机非线性光学材料的合成与薄膜制备，对基于单壁碳纳米管/聚酰亚胺薄膜、半导体可饱和吸收镜、非线性偏振旋转效应等多种方案的锁模光纤激光器技术进行了深入的理论与实验研究。通过研制基于数字微镜元件和硅基液晶并具有高度光谱灵活性的可调谐光学滤波器，研制成功了基于硅基液晶芯片和半导体可饱和吸收镜的可调谐锁模光纤激光器，实现了锁模激光输出波长可在整个增益谱带宽内的连续任意调谐，以及输出锁模脉冲宽度从亚ps至5ps范围内的连续可调。这一成果首次利用大规模光学集成芯片在光谱处理上的灵活性实现了锁模光纤激光输出中心波长和锁模脉冲宽度的大范围连续可调，对于锁模光纤激光器在高速波分复用光通信技术等领域的应用具有重要的实际意义。在此基础上，项目组进一步通过研制高精度一维光纤微透镜阵列和优化的总体光学系统设计，并采用通信波段的透射式零级抑制石英相位光栅为色散元件，研制成功了端口间插入损耗为6dB，具有1*32个端口，支持灵活格栅的高端口数硅基液晶波长选择开关及实验样机。这项成果为进一步开展具有国际领先水平的高端口数波长选择开关以及多波长和多通道可调谐锁模光纤激光器等新型光电子器件的研究奠定了必要的技术基础。