基于石墨烯的混合锁模激光器的制作方法

本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的混合锁模激光器。

背景技术：

光纤激光器同时运转在位于增益带宽内的大量纵模上。多纵模运转是由与光纤激光器的纵模间隔相比很宽的增益谱决定的。如果所有模式都独立运转，其相位间没有确定的关系，则总光场强度中的干涉项平均效果为零。通过某种技术使得各纵模相位同步，任意相邻纵模的相位锁定在一个常数值，则可产生超短激光脉冲即锁模脉冲，这样的激光器称作为锁模激光器。锁模激光器可广泛应用于光纤通信、激光测量以及材料加工等领域。

目前的锁模锁模技术主要分为主动锁模，被动锁模和混合锁模三类。

主动锁模是通过外界信号来周期性调制谐振腔参量，实现各腔体纵模之间相位锁定的一种锁模技术。其显著特征是：在激光器腔体中插入调制器件或者由外部注入光脉冲，对腔内光波进行主动调制来实现锁模。主动锁模具体又可分为基于调制器的锁模技术、有理数谐波锁模技术和注入锁模技术。其中基于调制器锁模技术的特点是从腔外加入射频信号到腔内的调制器上，通过此信号对腔内的振荡光波产生周期性的幅度或者相位调制，从而产生锁模脉冲。主动锁模的主要优点就是可以产生高重复频率和频率可调谐的锁模脉冲，且易于同步。光纤腔长和折射率容易受到外界环境的影响而导致的腔内失谐,以及超模竞争和弛豫振荡造成的脉冲抖动产生的不稳定性限制了主动锁模激光器的应用。

被动锁模是在激光腔内不使用调制器之类的任何有源器件的情况下实现超短脉冲输出。其基本原理是利用光纤或其他元件中的非线性光学效应对输入脉冲强度的依赖性，实现各纵模相位锁定，进而产生超短光脉冲。目前，用于实现被动锁模的方法主要包括可饱和吸收体、非线性偏振旋转和非线性光纤环形镜锁模技术。其中饱和吸收体锁模是在腔内附着饱和吸收体，当光脉冲通过饱和吸收体时，由于边缘的部分损耗大于中央部分的损耗，使得光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化。饱和吸收体被动锁模的主要优点就是重复频率较稳定，锁模脉冲脉宽较窄。但由于被动锁模所产生的锁模脉冲重复频率与激光器腔长成反比，要实现重复频率为GHz量级的被动锁模，需要激光腔短至cm量级，实现较为困难。

混合锁模就是将被动锁模技术产生超短脉冲和主动锁模技术产生高重复频率的特点相结合，以获得窄脉宽，高重复率且稳定的孤子脉冲序列。

因此，鉴于上述问题有必要提供一种基于石墨烯的混合锁模激光器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的混合锁模激光器，利用石墨烯的饱和吸收性结合幅度(相位)调制的主动锁模来实现混合锁模。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种基于石墨烯的混合锁模激光器，所述混合锁模激光器包括激光器环形腔、及位于激光器环形腔内的若干光纤，所述光纤上贴附有石墨烯薄膜，利用石墨烯良好的饱和吸收特性来窄化激光器的脉冲宽度，结合激光器幅度或相位调制的主动锁模来实现混合锁模。

作为本发明的进一步改进，所述石墨烯薄膜贴附于光纤端面或侧面抛磨光纤的抛光面。

作为本发明的进一步改进，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯、多层石墨烯、或经氧化还原的石墨烯聚合物。

本发明另一实施例提供的技术方案如下：

一种基于石墨烯的混合锁模激光器，所述混合锁模激光器的环形腔中依次包括调制器、第一偏振控制器、掺铒光纤放大器、耦合器、贴附有石墨烯薄膜的光纤、及第二偏振控制器，调制器上施加由微波信号，以调制由掺铒光纤放大器在环形腔内产生的多个模式来实现主动锁模，利用石墨烯良好的饱和吸收特性来窄化激光器的脉冲宽度，耦合器用于输出观察光谱和脉冲波形并进行比较。

作为本发明的进一步改进，所述石墨烯薄膜贴附于光纤端面或侧面抛磨光纤的抛光面。

作为本发明的进一步改进，所述石墨烯薄膜为单层石墨烯、多层石墨烯、或经氧化还原的石墨烯聚合物。

作为本发明的进一步改进，所述调制器采用射频调制或激光注入锁定调制的方式实现主动锁模。

作为本发明的进一步改进，所述调制器为强度调制器或相位调制器。

作为本发明的进一步改进，所述基于石墨烯的混合锁模激光器为固体激光器或空间激光器。

本发明的有益效果是：

激光器中将石墨烯薄膜作为饱和吸收体附着在光纤上接入环形激光腔内，利用石墨烯良好的饱和吸收特性来窄化激光器的脉冲宽度，结合激光器幅度或相位调制的主动锁模来实现混合锁模；

石墨烯作为激光锁模时的饱和吸收体，具有低吸收强度、超快速的恢复时间、调制深度可调、宽频带的可调性等优点，从而可以实现更高重复频率的超短脉冲激光器。

附图说明

图1为本发明第一实施方式中石墨烯加入激光器环形腔的结构示意图；

图2为本发明第二实施方式中基于石墨烯的混合锁模激光器的模块示意图；

图3a为不加石墨烯的主动锁模激光器输出的脉冲激光的信号波形；

图3b为在光纤端面附着石墨烯的混合锁模激光器输出的窄脉冲的信号波形；

图3c为不加石墨烯的锁模激光器输出的脉冲激光的光谱图；

图3d为在光纤端面附着石墨烯的混合锁模激光器输出的窄脉冲的光谱图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明第一实施方式中的一种基于石墨烯的混合锁模激光器是对主动锁模激光器的改进，将石墨烯直接附着在光纤端面加入主动锁模激光器环形腔内，利用其良好的饱和吸收性，来实现主动锁模脉冲的窄化。

具体地，参图1所示，混合锁模激光器包括激光器环形腔11、及位于激光器环形腔内的若干光纤12，光纤上贴附有石墨烯薄膜13，利用石墨烯良好的饱和吸收特性来窄化激光器的脉冲宽度，结合激光器幅度或相位调制的主动锁模来实现混合锁模。

本实施方式中石墨烯薄膜13贴附于光纤端面，在其他实施方式中光纤也可以采用侧面抛磨光纤，石墨烯薄膜贴附于侧面抛磨光纤的抛光面。

优选地，石墨烯薄膜为单层石墨烯、多层石墨烯、或经氧化还原的石墨烯聚合物等。

主要利用了石墨烯的饱和吸收性结合幅度(相位)调制的主动锁模来实现混合锁模。石墨烯(graphene)是由单层的碳原子紧密排列成二维的蜂窝状六角格子的一种物质,它有很多独特的光电特性。石墨烯在激光器锁模时具有低吸收强度、超快速的恢复时间、调制深度可调、宽频带的可调性等优点。

利用相位调制和非线性偏转效应结合的混合锁模激光器来产生高重复频率窄脉冲序列，但由于非线性偏转旋转调谐困难，不能支持任意波长，且实际应用中环境影响较大，腔内需要相对较长的光纤，以产生足够大的非线性相移，温度应力变化导致的双折射起伏也会影响锁模过程。本发明正是针对这些缺点，采用了石墨烯这种特性良好的饱和吸收体来窄化脉宽，同时克服了上述的这些缺点，优化了混合锁模的性能。

参图2所示，一种基于石墨烯的混合锁模激光器，该混合锁模激光器的环形腔中依次包括调制器10、第一偏振控制器20、掺铒光纤放大器30、耦合器40、贴附有石墨烯薄膜的光纤50、及第二偏振控制器60，调制器10上施加由微波信号70，以调制由掺铒光纤放大器30在环形腔内产生的多个模式来实现主动锁模，利用石墨烯良好的饱和吸收特性来窄化激光器的脉冲宽度，耦合器40用于输出观察光谱和脉冲波形并进行比较，其中，贴附有石墨烯薄膜的光纤50即为第一实施方式中图1的结构，此处不再进行详细说明。

其中，调制器采用射频调制或激光注入锁定调制的方式实现主动锁模，该调制器为强度调制器或相位调制器，本实施方式中以强度调制器为例进行说明，利用调制器调制环形腔内光场的振幅。

具体地，调制器以等于(或者整数倍于)模式间隔的频率f_m调制环形腔内光场的振幅，腔内损耗同样被以频率f_m调制，因为损耗越小，产生的光子数越多，所以腔内光场也以相同频率被调制，这种光强上的微小差异经过腔内的多次往返后不断加强，激光器就能稳定地输出一个锁模脉冲序列。同时当光脉冲通过石墨烯这种吸收体时，当强度足以使石墨烯饱和，其边翼部分损耗大于中央部分的损耗，结果光脉冲在通过石墨烯的过程中就被窄化了。这样就通过结合这两种技术实现了高重复频率的超短脉冲。

在本发明一具体实施例中，输入微波信号70频率为10GHz，调制器10的偏置电压为0V，掺铒光纤放大器30输出功率200mW。通过耦合器40输出用500GHz示波器观察输出信号脉冲波形，同时使用光谱分析仪通过耦合器40输出观察输出信号光谱。第二偏振控制器60用于将输入光偏振态，是调制器10的调制效率最大化。第一偏振控制器20用于优化激光腔的偏振态以获得最大的脉冲输出功率以及最好的锁模效果。

通过上述实验可测出未加入石墨烯和加入石墨烯激光器产生的锁模脉冲的信号波形和光谱图，具体参图3a～3d所示。

由本实施例的具体实施效果中输出锁模脉冲波形图比较可以明显看出，在加入石墨烯进行饱和吸收之后，由于石墨烯的饱和吸收特性，锁模脉冲明显变窄。同样的由锁模脉冲光谱比较可以看出，加入石墨烯之后脉冲光谱展宽，间接说明了锁模脉冲变窄。由上述结果可以得出石墨烯窄化了锁模脉冲，实现了高重复频率的窄脉冲混合锁模激光器。

应当理解的是，上述实施方式中基于石墨烯的混合锁模激光器可以固体激光器或空间激光器等，此处不再一一举例进行说明。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

激光器中将石墨烯薄膜作为饱和吸收体附着在光纤上接入环形激光腔内，利用石墨烯良好的饱和吸收特性来窄化激光器的脉冲宽度，结合激光器幅度或相位调制的主动锁模来实现混合锁模；

石墨烯作为激光锁模时的饱和吸收体，具有低吸收强度、超快速的恢复时间、调制深度可调、宽频带的可调性等优点，从而可以实现更高重复频率的超短脉冲激光器。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。