主動鎖模

關于鎖模的文章討論了通過鎖模產生超短脈沖的一般問題。本文專門討論主動鎖模，這涉及諧振腔損耗或往返相位變化的周期性調制。例如，可以通過聲光或者電光調制器、馬赫-澤恩德集成光調制器或半導體電吸收調制器來實現。如果調制與諧振腔的往返同步，就能產生超短脈沖: 每當循環脈沖擊中輸出耦合器時，都會產生一個輸出脈沖。

圖1：主動鎖模激光器的示意圖

通過調制諧振器損耗實現主動鎖模（調幅鎖模）的原理很容易理解。調制器的作用有兩種不同的重要影響：

• 具有“正確”時序的脈沖可以在損耗最小的時候通過調制器(見圖2)。因此，與諧振腔中循環的任何其他輻射相比，它都是有利的。由于脈沖在穩定狀態下會使激光增益達到飽和，從而使其往返增益為零，因此其他循環輻射將無法通過調制器，其他循環輻射的往返增益為負值，遲早會消失。
• 盡管如此，脈沖的兩翼還是會有一點衰減，實際上這導致每次往返的脈沖（輕微）縮短，兩翼的往返增益為負值，而脈沖中心的往返增益為正值。因此，脈沖會越來越短直到脈沖縮短被其他效應（如增益收窄或色度色散）抵消，從而使脈沖變寬。

圖2：光功率的時間演變和主動鎖模激光器中的損耗

調制器會增加脈沖翼的損耗，從而有效縮短脈沖。由于脈沖持續時間相對于脈沖周期通常比顯示的要小得多，因此調制器的脈沖縮短效應通常非常微弱。

在簡單的情況下，可以用 庫曾加-西格曼理論公式 計算出穩定狀態下的脈沖持續時間。它是由調制器中的脈沖縮短與增益縮小帶來的脈沖展寬之間的平衡。脈沖持續時間通常在 皮秒范圍內 并且與調制器信號強度等參數有微弱的關系，這種微弱的依賴性源于：調制器的脈沖縮短效應在較短的脈沖持續時間內會迅速減弱，而其他延長脈沖的效應（如調制器信號強度）則會在較短的脈沖持續時間內迅速減弱，而延長脈沖的其他效應（如增益收窄和色度色散）則變得更加有效。

圖3：用軟件模擬的主動鎖模激光器中脈沖持續時間（和其他脈沖參數）的演變RP脈沖在一個個案研究。注意，達到穩定狀態需要多次往返，因為每次往返的脈沖整形效應相當弱

開關式調制器的行為：

如果在實現鎖模后關閉光調制器，鎖模通常就會結束。但在某些情況下 如果被動鎖模機制也起作用，鎖模可能會繼續存在。這可能發生在各種情況下，涉及到一些光學非線性，例如克爾透鏡鎖模。

調頻鎖模：

不太明顯的是，主動鎖模也適用于光學相位的周期性調制（而不是振幅調制）。例如例如波克爾斯電池。這項技術被稱為調頻鎖模(FM =頻率調制)，不過相位調制鎖模一詞似乎更為恰當。它會產生一些啁啾脈沖。

一些調頻鎖模激光器表現出一種不穩定性：它們在兩種工作模式之間表現出隨機跳變，即脈沖通過調制器的時間達到相位延遲的最小值或最大值。這種雙穩態性有時會因色散和非線性效應消除。

同步；再生反饋法：

為了穩定運行，諧振器的往返時間必須與調制器信號的周期（或其整數倍）相當精確地匹配，以便循環脈沖能以最小的損耗通過調制器。即使激光諧振器和驅動信號之間存在很小的頻率匹配誤差，也會導致強烈的定時抖動，甚至出現混亂行為，因為在脈沖定時上獲得的 “拉力 ”非常弱。

為了長期的穩定運行，僅靠仔細調整穩定的激光裝置不足以實現調制器驅動器和激光器之間的同步是不夠的，因為會出現熱引起的往返時間和振蕩器頻率漂移等情況。通常情況下，我們需要一個回饋電路，自動調節激光諧振腔的調制頻率或激光諧振器的長度(從而調節其往返時間)。一種常用的技術是再生鎖模（也稱為帶再生反饋的鎖模），圖[5].在這里，調制器信號不是由自由振蕩或稍加校正的電子振蕩器產生，而是從檢測到的脈沖序列本身的強度調制信號中獲得。這種方案對于實現可調脈沖重復率尤為重要，通常應用于鎖模光纖激光器和激光二極管。

具有更高脈沖重復頻率的主動鎖模：

由于幾何上的限制，很難通過將激光諧振器做得很短來達到很高的脈沖重復率。解決方案可以是是諧波鎖模，即多個脈沖在激光諧振器中循環。調制器頻率是往返頻率的整數倍。該方法的一個變種是有理諧波鎖模，其調制頻率為往返頻率乘以兩個整數之比。

與被動鎖模的比較：

與被動鎖模相比，主動鎖模通常會產生脈沖持續時間更長的脈沖。這主要是因為脈沖越短，調制器的脈沖縮短效果就越差。相比之下，用于被動鎖模的可飽和吸收器可以在脈沖變短時提供更快的損耗調制。

主動鎖模的另一個缺點是需要光學調制器、電子驅動器和（大多數情況下）同步裝置（見上文）。

另一方面，當需要與某些電子信號同步的脈沖序列時，或當許多激光器需要同步運行時，主動鎖模是一種自然的解決方案。因此，主動鎖模通常用于光纖通信。