孫夢茹，紀?，?，熊浩，洪瑤，馬萬卓，王天樞

（1 長春理工大學空間光電技術(shù)國家與地方聯(lián)合工程研究中心，長春130022）

（2 長春理工大學光電工程學院，長春130022）

0 引言

超快光纖激光因在智能制造、通信、光譜探測以及生物醫(yī)療等領域具有潛在的應用而受到廣泛關(guān)注。常用于產(chǎn)生超短脈沖的被動鎖模方法包括非線性偏振旋轉(zhuǎn)（Nonlinear Polarization Rotation，NPR）、非線性環(huán)形鏡（Nonlinear Optical Loop Mirror，NOLM）和非線性放大環(huán)形鏡（Nonlinear Amplified Loop Mirror，NALM）等，這些方法結(jié)構(gòu)簡單易于搭建，但對溫度、振動特別敏感，易受到外界環(huán)境的影響，不利于實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模脈沖。另外，還可以借助半導體可飽和吸收鏡、石墨烯以及單壁碳納米管（Carbon Nanotubes，CNT）等可飽和吸收材料被動鎖模獲得超短脈沖，這些材料具有造價低、恢復時間短、損傷閾值高等優(yōu)點，但其可飽和吸收特性無法保持長時間穩(wěn)定。近年來，基于非線性多模干涉（Multi-Mode Interference，MMI）效應鎖模產(chǎn)生超短脈沖的方法引起人們的關(guān)注［1］。與傳統(tǒng)鎖模器件相比，該方法具有損傷閾值高、結(jié)構(gòu)簡單、光學特性易于控制、波長可調(diào)和調(diào)制深度可控等優(yōu)點，可以實現(xiàn)包括傳統(tǒng)孤子［2-4］、耗散孤子［5-7］、耗散孤子共振［8］、類噪聲脈沖［9］、展寬脈沖在內(nèi)的不同類型鎖模脈沖。其中，展寬脈沖光纖激光器能夠使脈沖在激光腔內(nèi)周期性的展寬壓縮，減弱高能量脈沖在光纖中傳輸?shù)姆蔷€性效應，實現(xiàn)更窄脈寬的超短脈沖，受到研究者的廣泛關(guān)注和研究。

通過向激光腔內(nèi)引入色散補償光纖、具有正色散的增益光纖、Martinez 結(jié)構(gòu)、啁啾布拉格光纖光柵、高數(shù)值孔徑光纖等色散補償器件，利用NPR［10］、NOLM［11］、CNT［12］等常規(guī)鎖模方式的展寬脈沖鎖模光纖激光器得到了充分的研究，可以實現(xiàn)穩(wěn)定輸出的飛秒脈沖。2018年ZHAO F 等將階躍折射率多模光纖（Multi-Mode Fiber，MMF）和漸變折射率多模光纖（Graded-Index Multi-Mode Fiber，GIMF）熔接在一起，將混合單模（Single-Mode Fiber，SMF）-多模-單模（SMF-MMF-SMF，SMS）結(jié)構(gòu)作為可飽和吸收體搭建了被動鎖模光纖激光器，實現(xiàn)傳統(tǒng)孤子脈沖和展寬脈沖輸出［13］。2019年，CHEN G 等采用非線性多模干涉鎖模結(jié)構(gòu)觀察到傳統(tǒng)孤子脈沖和展寬脈沖共存的現(xiàn)象，并進行了原理仿真［14］。由于非線性多模干涉效應光纖激光器在光纖通信、光纖傳感、波分復用等技術(shù)中的應用前景廣闊［15］，近年來涌現(xiàn)了大量的實驗研究。然而，關(guān)于在多模干涉效應光纖激光器中展寬脈沖及色散管理孤子分子的報道相對較少，因此開展相關(guān)研究將有助于進一步理解多模干涉效應的非線性光學理論。

本文設計了一種工作在近零負色散區(qū)的鎖模摻鉺光纖激光器，基于多模干涉效應實現(xiàn)鎖模脈沖輸出。通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)擠壓式偏振控制器（Polarization Controller，PC）來改變漸變折射率多模光纖內(nèi)激光的偏振狀態(tài)，獲得的展寬脈沖寬度為973.2 fs，并可經(jīng)過腔外壓縮至280.1 fs，通過調(diào)節(jié)PC 獲得了光譜調(diào)制周期為0.32 nm 的色散管理孤子分子，可為多模干涉光纖激光器的研究提供參考。

1 實驗結(jié)構(gòu)

基于SMS 結(jié)構(gòu)的色散管理全光纖激光器的實驗結(jié)構(gòu)如圖1。以一段長0.8 m 的單模高摻雜摻鉺光纖（Highly Erbium-doped Fiber，HEDF，Er80-8/125，Nurfren）作為增益介質(zhì)，兩個980 nm 半導體激光器（Pump1 功率350 mW，Pump2 功率1W）通過980/1 550 nm 波分復用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）將泵浦光耦合至腔內(nèi)，偏振無關(guān)隔離器確保環(huán)形腔內(nèi)光的單向傳輸。腔內(nèi)基于SMS 結(jié)構(gòu)的類可飽和吸收體（Saturable Absorber，SA）作為鎖模器件，其中長0.153 m 的漸變折射率多模光纖（GIMF，GI50/125 μm，YOFC）被內(nèi)置在PC 中，通過調(diào)節(jié)PC 來改變多模光纖中光的偏振狀態(tài)，引入相位差從而實現(xiàn)鎖模。使用一段色散補償光纖（Dispersion Compensating Fiber，DCF）來控制環(huán)形腔內(nèi)的色散。在實驗中，DCF 的長度為0.3 m，考慮到所有組件的尾纖，總腔長為7.4 m。HEDF、SMF 和DCF 的群速度色散分別為15.7、18、-152.6 ps/nm·km。由于GIMF 長度遠小于單模光纖的長度，GIMF 中的多模色散的作用可忽略不計。因此，計算可得腔內(nèi)凈色散為-0.105 09 ps2，激光器工作在近零負色散區(qū)。采用10∶90 的光耦合器的10%端口將環(huán)形腔中激光輸出到腔外，剩余的90%用作腔內(nèi)反饋。腔外采用色散補償進一步壓縮脈寬，并在放大器之前放置一個偏振控制器用于優(yōu)化脈沖的偏振狀態(tài)，為了避免功率放大過程中過高的峰值功率導致脈沖的分裂和畸變，在PC 和放大器之間熔接了一段DCF 預先將脈沖展寬。作為放大結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)的同時，在1 550 nm 工作在正常色散的高摻雜摻鉺光纖也作為色散補償?shù)囊徊糠郑糯笃饕氲纳⑦M一步降低了脈沖的啁啾。實驗中，輸出脈沖的光譜由光譜分析儀（Yokogawa，AQ6375B）測量。時域脈沖首先由帶寬為10 GHz 的1.5 μm 光電探測器檢測，然后由帶寬為2.5 GHz 的示波器（Agilent，DSO9254A）觀測。此外，脈沖的射頻頻譜信號由頻譜分析儀（Agilent N1996A）觀測。最后，通過自相關(guān)儀（FR-103XL，F(xiàn)emtochrome）對鎖模脈沖的脈沖寬度進行測量。

圖1 基于SMS 結(jié)構(gòu)的色散管理全光纖激光器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of SMS structure based dispersion-managed all-fiber laser

基于SMS 結(jié)構(gòu)的類可飽和吸收體的示意如圖2（a）。其中光束從SMF1 注入MMF，并耦合到另一端SMF2 中。在忽略模式轉(zhuǎn)換的情況下，來自SMF1 的入射光傳輸?shù)紾IMF 后激發(fā)出高階模［16-17］并沿多模光纖傳輸，在多模光纖內(nèi)任意位置的光場為所有模式的線性疊加，則在某一特定距離zm(λ)處光場與入射光場相同，這就是多模干涉的自成像現(xiàn)象。為了實現(xiàn)超短脈沖鎖模狀態(tài)，GIMF 的長度LGIMF可設置為為整數(shù)。此時高功率的光束比低功率的光束透過率大，該結(jié)構(gòu)就能實現(xiàn)類可飽和吸收體的功能［18］。

圖2 SMS 結(jié)構(gòu)示意及可飽和吸收特性Fig.2 Schematic and saturable absorption property of SMS structure

實際上，要借助SMS 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)鎖模，GIMF 的長度需要控制在微米量級［19］，這無疑增大了該結(jié)構(gòu)的熔接難度。為了放寬對GIMF 長度的限制，將SMS 結(jié)構(gòu)中的GIMF 內(nèi)置到偏振控制器中。通過調(diào)節(jié)PC，引入了額外的相移Δ?NL［20-22］，并通過調(diào)節(jié)PC 來控制相移的大小。因此，引入的附加相移Δ?NL和原始相移Δβn LGIMF滿足

則GIMF 的相應長度可表示為

式中，Δneff，n(I)為光纖的有效折射率與光強I有關(guān)。式（1）和（2）表明，由雙折射引起的非線性相移將改變所有模式之間的相位差，這一方法放寬了SMS 結(jié)構(gòu)對GIMF 長度的限制。為了測量SMS 結(jié)構(gòu)的可飽和吸收特性，采用一個平衡雙探測測量系統(tǒng)［23］，測量結(jié)果用式（3）進行擬合，即

式中，T為透射率，ΔT為調(diào)制深度，I為輸入光強，Isat為飽和光強，αns為不飽和損耗。調(diào)制深度擬合數(shù)值為21.6%，如圖2（b）所示。

2 結(jié)果分析

實驗中使用的GIMF 光纖的模場直徑為50 μm，與SMF 的模場直徑9 μm 以及HEDF 的模場直徑8 μm均相差很大，光纖間存在一定的熔接損耗。由于激光器需要確保諧振腔內(nèi)增益與損耗達到平衡才能實現(xiàn)鎖模并保持穩(wěn)定運行，因此激光器的鎖模閾值較高。首先固定泵浦2 功率，調(diào)節(jié)泵浦1 功率，激光器一直處于連續(xù)光工作狀態(tài)，然后固定泵浦1 的功率為95.1 mW，將泵浦2 的功率增加至350 mW 并調(diào)節(jié)PC，激光器進入鎖模工作狀態(tài)。由于激光器諧振腔是由正色散光纖和負色散光纖組成的周期性色散管理系統(tǒng)，脈沖在光纖中傳輸會經(jīng)歷周期性的展寬和壓縮。在正色散區(qū)域，脈沖積累了大量的正啁啾而展寬，隨后進入負色散區(qū)域，脈沖的正啁啾得到合適的補償，脈沖得到壓縮，在這種“呼吸”的過程中，脈沖避免了過多非線性相移的積累，經(jīng)過多次循環(huán)后輸出展寬脈沖。泵浦2 的功率增加至750 mW 時鎖模脈沖的輸出特性如圖3。圖3（a）為展寬脈沖的光譜，脈沖的中心波長和3 dB 帶寬分別為1 528 nm 和37.2 nm。圖3（b）為示波器上實時觀察的脈沖序列，脈沖幅度平穩(wěn)且相鄰脈沖間隔為37.03 ns。圖3（c）為頻譜分析儀測量的射頻頻譜，脈沖的信噪比優(yōu)于52 dB。采用1 kHz 分辨率測量的基本重復頻率為27.02 MHz，對應7.4 m 的腔長。圖3（c）中插圖為采用5 kHz 分辨率測量的500 MHz 范圍頻譜信息，大范圍的射頻頻譜沒有發(fā)生調(diào)制，表明激光器運行穩(wěn)定。測得的自相關(guān)跡如圖3（d），脈沖寬度為973.2 fs，對應的時間帶寬積（Time-Bandwidth Product，TBP）為4.65，高于高斯形脈沖的極限變換值，表明脈沖存在高度的啁啾。脈沖的啁啾是由光纖的高階色散和模式色散效應引起的，可以利用適當長度的光纖作為色散延時線進行外部補償，實現(xiàn)脈沖寬度壓縮。

圖3 展寬脈沖的輸出特性Fig.3 Output characteristics of the stretched pulse

保持泵浦1 功率不變，以100 mW 的間隔將泵浦2 功率從350 mW 增加至950 mW，記錄每一次功率變化時的輸出光譜，展寬脈沖光譜隨泵浦功率的演變?nèi)鐖D4。從圖中可知，光譜的3 dB 帶寬隨泵浦功率的增加而逐漸變寬，3 dB 帶寬最大為37.2 nm。同時，隨著泵浦功率的增加，諧振腔的凈增益增強，光譜分量的強度顯著增加。圖4（b）為輸出功率與泵浦功率的關(guān)系，由于激光器中各部分光纖的熔接損耗較大，在泵浦2 功率為950 mW 時，諧振腔的最大輸出功率為1.7 mW。

圖4 光譜和輸出功率隨泵浦功率的變化Fig.4 Variations of the optical spectrum and output power

為了獲得更窄的展寬脈沖，在腔外對輸出脈沖的脈沖寬度進行壓縮。由于DCF 在1.5 μm 具有較大的正二階色散系數(shù)，因此采用回切法來測試不同長度DCF 的壓縮效果，實驗結(jié)果如圖5。從圖中可知，隨著DCF 長度增加，光譜的帶寬逐漸增加，當DCF 長度為1.13 m 時，光譜的3 dB 帶寬達到最大為38.5 nm。相應的脈沖寬度演變?nèi)鐖D5（b），脈沖寬度最小能被壓縮至280.1 fs，此時的TBP 為2.01。在功率放大的過程中，引入的某些非線性啁啾不能被色散補償?shù)窒?，導致壓縮后的實際脈寬與理論轉(zhuǎn)換極限脈寬之間仍存在一定的差距。

圖5 脈沖壓縮實驗結(jié)果Fig.5 Experimental results of pulse-compression

為了檢測光纖激光器工作的穩(wěn)定性，對該激光器的輸出光譜和輸出功率進行1 h 連續(xù)監(jiān)測，每隔10 min記錄一次輸出脈沖的光譜和輸出功率。由圖6（a）可知，光譜的形狀基本保持不變，激光發(fā)射過程中的模式競爭和外界環(huán)境的影響導致脈沖的輸出特性發(fā)生漂移，中心波長和光譜帶寬有輕微的改變。輸出功率的波動如圖6（b），功率抖動小于±0.01 mW。平均輸出功率和譜寬均保持相對穩(wěn)定，說明激光器具有良好的穩(wěn)定性。

圖6 展寬脈沖穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.6 Stability test results of stretched pulse

在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的展寬脈沖后繼續(xù)增加泵浦功率，鎖模脈沖的峰值功率受到峰值功率鉗制效應的影響不會無限增加，此后繼續(xù)增大泵浦功率將放大腔內(nèi)的色散波等背景噪聲［24］。當脈沖的峰值功率足夠大時，光纖激光器的工作區(qū)域就在正負反饋之間轉(zhuǎn)變。損耗和強度依賴與非線性多模干涉效應之間的動態(tài)平衡，使背景噪聲（例如色散波）在腔中逐漸生成。由于調(diào)制的不穩(wěn)定性，在腔中產(chǎn)生了背景噪聲，脈沖和背景噪聲共同作用產(chǎn)生新脈沖。在SMS 鎖模結(jié)構(gòu)中，通過適當?shù)恼{(diào)節(jié)PC 可以使得特定頻率的背景噪聲滿足式（2），從而使其在腔內(nèi)經(jīng)過循環(huán)增益放大后形成新的孤子脈沖［25］。由于孤子脈沖具有相同的激光增益，孤子間的增益競爭導致孤子能量量子化效應，因此所有的孤子脈沖具有完全相同的參數(shù)，隨后由于脈沖間吸引力與排斥力的相互作用形成穩(wěn)定的孤子分子［26-27］。保持泵浦1 功率不變，將泵浦2 功率增加856 mW，調(diào)節(jié)偏振控制器使腔內(nèi)的偏振態(tài)發(fā)生改變，脈沖間引力與斥力的弱相互作用導致形成色散管理孤子分子。色散管理孤子分子的輸出特性如圖7，輸出光譜上存在有明顯的調(diào)制條紋，單個色散管理孤子分子的脈沖寬度為4.04 ps，脈沖間隔為24.1 ps，對應0.32 nm 的光譜調(diào)制周期。由于脈沖間隔約為脈沖寬度的約6 倍，因此該孤子分子脈沖處于松散束縛狀態(tài)［28］。圖7（b）為自相關(guān)跡，自相關(guān)跡中三個峰的峰峰比為1∶3∶1，束縛態(tài)脈沖具有相同的脈沖寬度和固定的時間間隔。

圖7 色散管理孤子分子的輸出特性Fig.7 Output characteristics of the dispersion-managed soliton molecules

3 結(jié)論

在基于多模干涉效應鎖模的光纖激光器中研究了展寬脈沖和色散管理孤子分子的輸出特性。按照纖芯中心對齊的方式將GIMF 熔接在兩段SMF 之間，并將GIMF 內(nèi)置在PC 中，通過旋轉(zhuǎn)擠壓PC 來改變多模光纖中脈沖光的相位，引入額外的相位差放寬SMS 鎖模結(jié)構(gòu)對GIMF 長度的限制，從而實現(xiàn)鎖模脈沖輸出。將泵浦1 和泵浦2 的功率分別調(diào)節(jié)至95.1 mW 和750 mW，獲得中心波長為1 528 nm 的展寬脈沖，脈沖持續(xù)時間為973.2 fs，3 dB 光譜帶寬為37.2 nm。經(jīng)過腔外色散補償后，展寬脈沖的脈沖寬度被壓縮至280.1 fs，對應的3 dB 帶寬為38.5 nm。進一步將泵浦2 增加至856 mW，仔細調(diào)節(jié)PC 腔內(nèi)可輸出色散管理孤子分子。整個激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、輸出穩(wěn)定，由于在諧振腔中加入了GIMF，實驗獲得的光纖激光器結(jié)構(gòu)具有更高的損傷閾值，在光通信和材料加工等領域具有潛在的應用價值。