NALM锁模光纤激光器中类噪声脉冲与束缚态类噪声脉冲之间的相互转换

《Optical Fiber Technology》：Interconversion between Noise-Like pulses and Bound-State Noise-Like pulses in NALM Mode-Locked fiber laser

噪声脉冲与束缚态可逆切换的1550nm全偏振保持NALM光纤激光器，通过调节泵浦功率实现1565nm波段输出，脉冲宽度9.6ps/140fs，重复频率27.8MHz，最大平均功率13.55mW，验证了环境稳定性与数值模型有效性。

　　这项研究报道了一种全偏振保持（PM）非线性放大环形镜（NALM）锁模掺铒光纤激光器，工作波长为1565纳米。该激光器在不改变其他腔体参数的情况下，仅通过调节泵浦功率即可在纯噪声脉冲（NLPs）和束缚态NLPs之间实现可逆切换。在NLP运行模式下，输出表现出9.6皮秒的平台和140飞秒的尖峰，具有55纳米的光学带宽，其有效脉冲宽度短于以往报道的NLP源；重复率是27.80兆赫兹，最大平均输出功率达到13.55毫瓦。而在束缚态运行模式下，0.34纳米的光谱调制周期表明了24皮秒的脉冲包间隔。数值模拟成功再现了这两种运行模式，并将NLP到束缚态的转变归因于强度依赖的NALM干涉在反饱和区域以及交替色散的共同作用。这些成果拓展了全偏振保持NALM光纤激光器的非线性动力学领域，并为超连续谱生成和低相干成像提供了稳定的宽带光源途径。

被动锁模光纤激光器因其紧凑的结构、高效率和丰富的腔内非线性相互作用，已成为极为多用途的超短脉冲光源。通过精确管理色散、克尔非线性、增益动力学和腔体损耗，这些激光器可以在多种运行模式之间切换，包括常规孤子（CSs）、耗散孤子（DSs）、束缚态孤子（BSs）和NLPs，每种模式都提供了独特的时域和频域特征，适用于高速光通信、精密材料加工和生物医学成像等领域。与半导体可饱和吸收镜（SESAM）和二维材料基锁模相比，全偏振保持NALM结构在环境稳定性与可重复性方面表现更优，即使在温度波动和机械振动等条件下也能保持稳定性能。此外，全偏振保持NALM架构支持更高的输出功率、更大的效率以及更精细的腔内非线性控制，从而实现了复杂的脉冲操作。

噪声脉冲（NLPs）最初在掺铒光纤激光器中被观察到，其中宽广、平滑的光谱以及强度自相关（IAC）迹中狭窄的相干尖峰表明了由多个随机变化的子脉冲组成的时间包络。后续研究表明，NLPs可以在异常色散和正常色散条件下形成，受孤子坍缩和峰值功率钳制等效应驱动。它们的高脉冲簇能量和低时间相干性使得NLPs特别适合用于超连续谱生成。

相比之下，束缚态孤子（BSs）是通过腔内多个基本孤子之间的吸引相互作用形成的脉冲簇。这种相互作用导致脉冲簇具有固定的时域间隔和相应的等距光谱调制条纹。束缚态孤子最初作为非线性薛定谔方程（NLSE）的高阶孤子解被数值研究。在这些BS状态中，孤子之间的时域间隔与光谱干涉周期相关联。束缚孤子簇可以分为松散绑定或紧密绑定，这取决于其时域间隔与脉冲宽度之间的关系。

近年来，在单一激光腔中生成各种孤子脉冲模式已成为研究的热点。不同孤子状态之间的转换尤为重要，并且多种孤子配置的共存也引起了广泛关注。最近的实验研究表明，在L波段NPR锁模光纤激光器中通过调节腔内偏振可以实现BSs和NLPs之间的直接转换，展示了从松散BSs到宽带NLPs的可逆转变。在所有正常色散Yb掺杂光纤激光器中，观察到了束缚噪声脉冲的实时形成和共生，Raman散射在其中起到了连接作用，揭示了强的跨模式耦合。此外，NLPs与DSs在Yb腔体中的共存以及高阶谐波孤子分子在NALM激光器中的共存，突显了复合脉冲操作在多种结构中的普遍性。

本文中报道的全偏振保持NALMs锁模掺铒光纤激光器在多种环境条件下表现出良好的稳定性与可重复性，使其特别适用于需要高环境适应性、低噪声和稳定输出的高精度应用。尽管NLP操作在全偏振保持光纤激光器中已被广泛报道，但关于NLPs与束缚态孤子共存的实验报告，尤其是在全偏振保持NALM腔体中，仍较为有限。据我们所知，这项工作代表了首次在全偏振保持NALM掺铒光纤激光器中实现NLP和束缚态脉冲的共存实验验证。通过仅调节泵浦功率，我们实现了从纯NLP操作到束缚态NLP发射的可逆切换。得益于其全偏振保持配置，激光器在各种环境条件下表现出卓越的环境稳定性与输出可重复性。所生成的NLPs展现出9.6皮秒的平台和140飞秒的尖峰，其脉冲宽度短于以往报道的噪声脉冲输出，这一研究丰富了全偏振保持NALM光纤激光器多模式脉冲生成的领域，并具有重要的理论和实践意义。

实验装置方面，该全偏振保持NALM锁模掺铒光纤激光器采用9字形结构。激光腔由一个全偏振保持环形和一个线性臂组成。泵浦光来自一个976纳米的激光二极管，通过一个976/1550纳米的全偏振保持波分复用器（PM-WDM）耦合进环形中。增益介质是1.30米长的全偏振保持掺铒光纤（OFS EDF25-PM），其纤芯/包层直径为5/125微米，色散参数为-2纳米/(纳米·公里)。所有被动光纤段均采用全偏振保持1600-XP光纤（纤芯/包层直径为中心）进行熔接，并具有相同的色散参数为波长的平方的反比例关系与相位偏移的函数关系。非互易相位调制器（PS，DPMFR-1550-T/2，Connet）放置在增益光纤与耦合器之间，其结构包括一个+45度的法拉第旋转器、一个零阶四分之一波片（四分之一波片，1550纳米）和一个?度的法拉第旋转器的组合方式使得反向传播场在四分之一波片处呈现正交偏振状态，并引入了非互易的相对相位偏移π/2，这有助于干涉仪偏置和锁模稳定。线性臂以一个高功率全偏振保持光纤镜结束，该光纤镜在1550纳米±20纳米波段内工作，插入损耗≤0.6分贝。环形和线性部分通过一个2×2、50:50全偏振保持耦合器连接，形成9字形结构，其中一个输出端口作为激光输出端口使用；线性臂长度为约克米，并且总腔长为7.39米，净腔色散为-0.092皮秒2，表明该激光器工作在异常色散区域。该光纤激光器采用了全偏振保持配置，从而最小化了环境扰动，包括机械振动、温度、压力和湿度的变化。在本次实验中，使用射频光谱分析仪（Keysight N9000B-507）、自相关仪（APE PulseCheck SM2000）、数字示波器（MSO44 4-BW-1000）、功率计（Thorlabs PM100D与传感器）和光谱分析仪（Yokogawa AQ6370D，分辨率0.02纳米）对输出信号进行了监测。

在泵浦功率范围为39.12到151.30毫瓦之间，该全偏振保持NALM激光器可靠地发射NLPs。在151.30毫瓦的输出功率下，示波器轨迹表明了稳定的锁模操作且没有脉冲分裂现象发生；由于示波器仅提供纳秒级的时间分辨率，因此只能分辨粗略的脉冲包络，而无法揭示NLPs内在的子脉冲结构。脉冲间隔测量为35.97纳秒，对应的重复率为27.80兆赫兹。在0.0毫米的分辨率下，光谱分析仪测量了NLPs的光谱，其发射中心在波长15毫米处，并且在154毫米到1595毫米波段内，总带宽为55纳米。自相关轨迹显示了9.6皮秒的平台和140飞秒的sech2拟合的中心尖峰，插图展示了尖峰的放大视图，且平台水平接近峰值的一半，表明了低时间相干性和随机子脉冲波动。射频光谱显示了27.80兆赫兹的基本频率和60分贝的信噪比（SNR），确认了稳定的锁模操作，并具有1千赫的分辨率带宽。光谱演化在NLP模式下显示了随着泵浦功率的增加，光谱不断扩展，这与NLP操作的特征一致。

在泵浦功率范围为151.30到约290.50毫瓦之间，激光器稳定地发射束缚态NLPs。在8.30毫瓦的平均输出功率下，示波器轨迹表明了规律的锁模包络，且脉冲间隔为35.97纳秒，对应的重复率为27.80兆赫兹，没有脉冲分裂。光谱测量显示了明显的Kelly边带，并且在光谱分析仪中，发射中心在1565纳米，显示出强烈的调制特征，表明其在异常色散模式下运行。脉冲间隔与光谱周期之间的关系由时间频率对偶公式决定，该公式表明随着泵浦功率的增加，脉冲间隔为约24皮秒。插图展示了放大后的光谱段，显示出密集的干涉条纹，其调制周期为0.34纳米，对应子脉冲间隔为24皮秒。在束缚态模式下，输出功率的稳定性测试表明其波动为约0.44%，而其他参数保持不变时，平均输出功率为13.55毫瓦，对应的脉冲能量为约0.487纳焦耳。长期测试显示输出功率的波动约为0.44%和0.21%，确认了全偏振保持设计提供的环境稳定性与可重复性。此外，通过每日重启激光器五次，观察到平均输出功率无变化，进一步验证了其在不同环境条件下的稳定性能。机械扰动测试通过平台振动和光纤运动进行，确认了稳定的锁模操作。

数值模拟结果表明，在相同的腔体参数下，经过200次往返后，输出收敛为NLPs，如图5(a)所示。为了评估时间相干性，我们计算了第一和第二阶自相关，其定义为强度和脉冲之间的相关性。模拟轨迹与实验结果高度一致，显示出宽广的平台和狭窄的中心尖峰。这种行为由色散管理的腔体所主导：在异常色散段中，脉冲被压缩，而在正常色散增益光纤中被扩展。这种周期性的压缩与扩展逐渐使原本更相干的孤子结构变得无序，从而形成了典型的NLPs子脉冲簇。同时，NALM作为一个强度依赖的干涉镜，其有效传输随非线性相位差周期性变化。当操作点位于干涉条纹的负斜率区域时，在反饱和区域中更高的峰值会带来更大的损耗，并将能量重新分配到时域边缘和相邻时间槽中，从而加速多个子脉冲的形成。在正常色散增益段中，强烈啁啾的子脉冲由于有限的增益带宽而受到净增益的限制，而较弱的子脉冲则在后续往返中被补充，从而稳定了具有随机内部结构的静态包络。作为对照，我们仅反转增益光纤的色散符号，使其变为异常色散，同时保持其他参数不变。结果显示的波形如图5(c)所示，其自相关如图5(d)所示，不再表现出NLPs的特征而是对应于常规孤子锁模，这表明交替色散对于NLPs的生成至关重要。

在保持其他腔体参数不变的情况下，我们仅增加小信号增益，模拟结果则演变为束缚态NLPs输出，如图8所示。其对应的第二阶自相关如图9所示。动力学解释如下：随着泵浦功率的增加，单个NLP包中的亚皮秒成分推动峰值功率跨过NALM传输的下一个干涉条纹，进入更强烈的反饱和区域。每次往返中能量重新分配，并且单个包分裂为两个NLP包。有效的相互作用势能来源于交叉相位调制（XPM）、往返群延迟和相位积累在交替的异常色散和正常色散段中，以及在高泵浦功率下可能的受激拉曼散射（SRS）；这种势能驱动包之间达到平衡间距的形成和稳定。束缚态NLPs模式的特征包括时域中的两个宽包络、自相关显示出高平台和狭窄的中心尖峰以及对称的侧瓣，并且有清晰的光谱干涉条纹。观察到了两种相干场景：第一种情况下，只有中心包显示了狭窄的干涉尖峰，而侧包没有，表明侧包中的子脉冲结构在随机相位下与中心包的子脉冲结构相关性较低；第二种情况下，跨包的相位锁定发展，所有包显示干涉尖峰，并且在第二阶自相关和时域轨迹中出现了同步的尖峰，如图9所示。这种锁定通常发生在腔体色散和非线性捕获包络在整数倍色散延迟下，同时NALM操作点位于相位锁定区域，从而抑制了跨包的相位抖动；在完全发展状态下，两个脉冲彼此隔离，几乎相同，并且在包络层面相互相干，且没有额外的卫星成分。

综上所述，我们展示了一种全偏振保持9字形NALM锁模掺铒光纤激光器，该激光器支持从纯NLP操作到束缚态NLP的可控转换。通过仅调节泵浦功率，获得了中心波长为1565纳米、55纳米光学带宽、自相关由9.6皮秒平台和14纳米尖峰组成的稳定NLPs操作，从39.12到约毫米的泵浦功率范围；当泵浦功率增加到约毫米到约290.50毫瓦时，产生了束缚态NLPs，其光谱调制周期为0.34纳米，表明子脉冲间隔为24皮秒。重复率为27.80兆赫兹，最大平均输出功率达到13.55毫瓦，且对应的脉冲能量分别为约0.235纳焦耳和0.487纳焦耳。长期测试显示输出功率波动约为0.44%和0.21%，确认了全偏振保持设计提供的环境稳定性与可重复性。基于交互图分步傅里叶方法的数值模型，使用实验腔体参数成功再现了单个NLPs和束缚态的特征，突显了强度依赖的NALM干涉在反饱和区域以及交替色散的共同作用。这些发现为开发具有稳定性和多功能性的超快光纤光源提供了实验和理论基础。