掺铒随机光纤激光器中的光学双稳态

《Optics & Laser Technology》：Optical bistability in an erbium-doped random fibre laser

随机光纤激光器光双稳态机制及噪声抑制研究，利用未泵浦掺铒光纤作为饱和吸收体和随机光纤光栅实现分布式反馈，高分辨率光学频域反射术揭示Er3?动力学与局部克尔非线性共同驱动的折射率双稳态，双稳态工作降低强度噪声近一个数量级。

　　

陈晨|卢萍|斯蒂芬·米哈伊洛夫|梁晨|鲍晓艺

加拿大安大略省渥太华大学物理系，Templeton街25号，K1N 6N5

摘要

利用本质上不稳定的随机光纤激光器（RFLs）的复杂非线性特性，我们不仅能够研究其不稳定性，还能主动控制它，从而解锁新的光学功能。我们通过研究一个掺铒光纤激光器（EDRFL）来证明这一原理，该激光器使用未泵浦的掺铒光纤（EDF）作为饱和吸收体，并采用刻写在光纤上的随机光栅实现分布式反馈。该激光器表现出明显的滞后环现象，其中主导模式和受抑制模式呈现出相反的循环，这是强模式间增益竞争的明显特征。高分辨率的光频域反射仪（OFDR）技术空间上解析了折射率的双稳态特性，揭示了由铒离子的三阶非线性效应和局部克尔非线性共同驱动的混合机制。关键在于，在双稳态区域内运行时，腔内功率同时限制了增益和饱和损耗，从而建立了稳定的平衡状态，显著降低了强度噪声，几乎降低了一个数量级。这些结果为将不稳定性转化为可控性提供了实用策略，为被动稳定的随机激光器以及新型全光开关应用奠定了基础。

引言

精确控制激光发射对于从通信到精密测量的光子学领域至关重要。随机激光器（RFLs）通过利用无序介质的分布式反馈替代了传统镜子，形成了一类具有结构简单和光谱多样性的相干光源[1]。然而，多个散射路径之间的复杂相互作用常常导致混沌模式竞争和严重的强度波动，限制了它们在稳定性要求苛刻的应用中的使用。自从首次展示掺铒随机光纤激光器（EDRFLs）[2]、[3]以来，人们已经付出了大量努力来通过工程化的随机光纤光栅（RFGs）[4]、[5]或改进的腔体设计[6]、[7]、[8]、[9]、[10]来减轻激光器的不稳定性。这些方法通常旨在抑制非线性效应或促进单模操作以实现稳定性。然而，另一种较少被探索但有前景的方法是将非线性作为控制机制而非抑制机制来利用。

光学双稳态（OB）是指单个输入下存在两个稳态输出的现象，这一现象由Sz?ke等人于1969年首次提出[11]，并在1976年通过钠蒸气实验得到验证[12]，为全光控制功能（如开关和存储）提供了基础[13]。由非线性色散或吸收引起的双稳态在传统腔体中已被广泛研究，包括法布里-珀罗谐振器[12]、[14]和光纤环形腔[15]。特别是在掺铒光纤激光器（EDFLs）中，通过利用铒离子的三阶非线性效应实现了双稳态[16]。例如，Horowitz等人展示了基于EDF的法布里-珀罗腔中的吸收双稳态和线宽窄化现象[16]，其他人则研究了其在单频稳定[17]和多波长操作[18]中的作用。进一步的研究表明，通过向腔内注入外部控制激光可以主动调节双稳态区域的宽度和阈值[19]。这些研究表明，未泵浦的EDF部分可以作为有效的饱和吸收体，产生双稳态操作所需的强度依赖性损耗。

尽管在传统激光器方面有大量研究，但随机光纤激光系统中的双稳态作用仍很大程度上未被探索，尤其是在缺乏明确镜子的无序腔体内能否可靠地建立稳定的双稳态状态，以及这种状态是否能够增强而不是降低激光器的稳定性。最近的研究表明，在环形激光器中使用未泵浦的EDF作为饱和吸收体时，随着泵浦功率的增加，激光器可能会从稳定的单模操作转变为规则的模式跳跃不稳定性[20]。根据操作条件和腔体配置的不同，使用饱和吸收体可能会稳定或破坏激光器的稳定性。我们的主要目标是展示和表征EDRFL中的光学双稳态，并研究其对模式竞争和强度噪声的直接影响。

在这项工作中，我们使用未泵浦的EDF部分作为饱和吸收体，并采用随机光纤光栅实现分布式反馈，从而展示了EDRFL中的光学双稳态现象。高分辨率的光频域反射仪（OFDR）技术用于空间解析泵浦引起的RFL腔内折射率变化，揭示了由铒离子的三阶非线性效应和局部克尔非线性共同控制的混合双稳态行为。关键在于，在双稳态区域内运行可以主动抑制模式竞争并降低强度噪声，建立了微观非线性和宏观激光稳定性之间的直接联系。这些结果为将不稳定性转化为光学功能提供了实用框架，为被动稳定的随机激光器和全光控制应用的发展铺平了道路。

原理与方法

我们观察到的EDRFL中的光学双稳态现象源于泵浦掺铒光纤（EDF）中的非线性增益饱和与未泵浦EDF中的饱和吸收之间的相互作用。主要机制是未泵浦EDF的强度依赖性吸收，它充当了非线性损耗元件。反馈由随机光纤光栅（RFG）提供，该光栅具有永久刻写的、统计上变化的折射率调制，能够支持大量弱共振模式。

EDF-RFG特性分析

为了阐明随机光纤光栅（RFG）在实现分布式反馈和模式选择中的作用，我们首先对其结构和光谱特性进行了分析。保偏（PM）EDF在1533纳米处的吸收系数为9.3 dB/m，而单模（SM）EDF在1531纳米处的吸收系数为6.3 dB/m。RFG通过100 fs脉冲在SM-EDF的一端进行刻写，脉冲能量为0.6 μJ，重复频率在237到262 Hz之间随机变化[28]。

结论

在这项工作中，我们展示了掺铒随机光纤激光器的光学双稳态现象，并对其进行了全面表征。通过使用未泵浦的EDF部分作为饱和吸收体以及随机光纤光栅实现分布式反馈，建立了一个稳定的滞后环，其中增益竞争导致主导模式和受抑制模式之间的相反循环。高分辨率的OFDR技术首次实现了相关折射率双稳态的空间解析，揭示了

作者贡献声明

陈晨：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化
卢萍：撰写——审稿与编辑、资源获取、项目管理、资金筹措
斯蒂芬·米哈伊洛夫：撰写——审稿与编辑、资源获取、项目管理、资金筹措
梁晨：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化
鲍晓艺：撰写——审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢加拿大研究主席基金（75-67138）、加拿大自然科学与工程研究委员会（DG-2020-06302）以及加拿大国家研究委员会（NRC）通过Ideation Fund（INB-000630-1）提供的财政支持。