【资讯】长春理工大学空间光电技术研究所团队：全光纤再生锁模激光器，实现高稳定GHz脉冲输出

2026-11-05 17:32:01

设想一台低轨光学遥感卫星飞越任务区域，它搭载的高分辨率相机在短短几分钟内采集了海量数据；要将这些数据完整传输并进行分析，通信速率必须达到Gbps量级。自由空间光通信（FSO）被认为是承担此类通信任务的最佳技术。然而，FSO对光源有极为苛刻的要求：高重频满足高速调制，低相位噪声以及低频率抖动以保证误码率，高自启动率与长时稳定性满足情景需求。

锁模光纤激光器是产生GHz超短脉冲的主流技术，并且主动锁模是实现超高重频锁模的优选方案。但传统主动锁模激光器依赖外部射频信号驱动调制器，调制频率与激光器腔基频之间微小的失配就会导致锁模失效。再生锁模技术通过从激光器自身模式间隔中提取时钟信号作为调制基准，从根本上解决了频率失配问题，但运行中的噪声抑制、频率漂移和自启动可靠性仍是亟需攻克的难题。

针对上述问题，长春理工大学马万卓教授团队提出并实验验证了一种基于弱饱和吸收效应与频率锁定技术的再生锁模光纤激光器（RMLFL）。这项研究的核心创新在于，利用高掺杂掺铒光纤的弱饱和吸收特性，实现了腔内噪声的抑制；在此基础上引入锁相环反馈系统，对激光器重复频率进行主动锁定，最终获得了高稳定性的GHz脉冲输出。

激光器系统由全保偏光纤环路、时钟提取环路和锁相环环路三部分构成，如图1（a）所示。在时钟提取环路中，从激光器自由光谱范围的梳状频谱中精准提取第52次谐波时钟信号，经电带通滤波和放大后驱动电光调制器，形成再生锁模。实验发现，0.5 m的高掺杂掺铒光纤不仅提供了足够的增益，其高浓度掺杂引发的离子猝灭效应还带来了调制深度在6%~12%之间的弱饱和吸收特性，这种可饱和吸收特性抑制了腔内弱模式和超模噪声，使锁模脉冲的信噪比从64.8 dB提升至74.1 dB。

在频率稳定性方面，团队构建了基于I/Q混频器和现场可编程门阵列（FPGA）的锁相反馈环路，如图1（b）所示。通过将提取的时钟信号与外部本振信号混频，产生与腔长变化成正比的误差信号，经控制算法处理后驱动管状压电陶瓷，对谐振腔长进行实时微米级补偿，形成闭环频率锁定。实验结果表明，在8小时连续监测中，激光器重复频率峰值频偏从开环状态下的8 kHz锐减至锁定后的25 Hz以内，在1 MHz偏移频率处的相位噪声低至-111 dBc/Hz，脉冲均方根时间抖动从13.8 ps降低至2.05 ps。

图1 RMLFL结构原理以及样机。（a）RMLFL示意图；（b）反馈稳定环路原理示意图；（c）压电陶瓷实物图片；（d）RMLFL样机爆炸图；（e）RMLFL样机实物图

本工作的核心优势在于摒弃了传统降噪方案中复杂的锁模光纤结构或注入锁定结构，仅利用一段高掺杂掺铒光纤的弱饱和吸收效应，以极简的器件方案同时实现了较高的信噪比和自启动能力，再通过锁相环将激光器的长期频率稳定性提升至接近信号源的极限。在此基础上，团队将整套系统集成至光电分离、模块化布局的原理样机中，如图1（d）、（e）所示。测试表明其功率波动小于0.14%，具备良好的环境适应性。该方案结构简单、成本可控、可工程化，在自由空间光通信、差频技术等领域中展现出良好的应用前景。

参考文献： 中国光学期刊网

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