大块衰减诱导孤子光纤激光器实现类展宽脉冲运转及带宽扩展

《IEEE Photonics Journal》：Spectral-temporal stretching and bandwidth scaling in soliton fiber lasers induced by large lumped attenuation

为解决传统孤子光纤激光器因非线性积累导致脉冲能量和带宽受限的问题，研究人员开展了大块衰减调控孤子激光器腔内动力学的研究。通过引入13 dB的大块衰减，成功在全反常色散腔中实现了类展宽脉冲运转，获得了8 nm带宽和359 pJ的高能量脉冲。该研究揭示了腔内损耗在调控孤子激光器性能中的关键作用，为优化锁模光纤激光器提供了一种简单有效的新自由度。

　　

在超快光学领域，孤子光纤激光器因其结构简单、性能稳定而被视为超快光纤激光器的典范。然而，传统孤子激光器在追求更高性能的道路上遇到了一个难以逾越的瓶颈：非线性效应。当人们试图通过提高泵浦功率来增加脉冲能量时，过高的峰值功率会引发强烈的非线性效应，导致脉冲分裂或多脉冲运转，最终限制了脉冲能量的提升。通常，传统孤子激光器的非线性相移被限制在π以下，脉冲能量被限制在皮焦量级，带宽也相对较窄。

为了突破这一限制，研究人员发展出了展宽脉冲激光器。这类激光器通过在腔内交替引入正色散和负色散光纤，使脉冲在腔内传播时经历周期性的展宽和压缩。这种“呼吸”效应有效降低了脉冲的峰值功率，从而抑制了非线性效应，允许脉冲能量和带宽得到显著提升。然而，展宽脉冲激光器通常需要复杂的色散管理设计，例如使用色散补偿光纤或带通滤波器，这增加了系统的复杂性和成本。

那么，有没有一种更简单的方法，可以在传统的全反常色散孤子激光器中实现类似展宽脉冲的高性能运转呢？发表在《IEEE Photonics Journal》上的这项研究给出了一个令人惊喜的答案：只需在腔内引入一个大的块状衰减，就能实现这一目标。

为了回答这一问题，研究人员设计并搭建了一个非线性偏振旋转（NPR）锁模光纤激光器。该激光器腔体主要由掺铒光纤（EDF）和单模光纤（SMF）构成，净腔色散为强反常色散（-18.6 ps²/km）。研究的关键变量是腔内的损耗，通过使用不同分光比的输出耦合器（如5:95、30:70、70:30、95:5）来引入不同大小的块状衰减（从13 dB到0.25 dB）。研究人员通过光学频谱分析仪、自相关仪和示波器等设备，系统测量了不同损耗条件下激光器的输出光谱、脉冲宽度、脉冲序列和射频频谱。此外，他们还利用分步傅里叶方法对非线性薛定谔方程（NLSE）进行了数值模拟，以深入揭示腔内脉冲的演化动力学。

大腔衰减下的锁模脉冲产生

当在腔内引入5:95耦合器（约13 dB大块衰减）时，激光器需要高达150 mW的泵浦功率才能实现稳定锁模。在此条件下，激光器输出了重复频率为8.9 MHz的稳定脉冲序列。输出光谱的3 dB带宽约为8 nm，呈现出准平顶形状，并伴有明显的Kelly边带，表明腔内存在强反常色散。腔内脉冲能量估计为359 pJ。输出脉冲具有显著的负啁啾，经过70 cm长的色散补偿光纤（DCF）压缩后，脉冲宽度为478 fs（假设sech²形状），时间带宽积（TBP）为0.478，远大于传统孤子激光器的理论值（约0.31），表明激光器运行在远离传统孤子的区域。

低腔衰减下的锁模脉冲产生

为了对比，研究人员将耦合器翻转，使用5%端口输出，此时腔内仅引入0.25 dB的微小衰减。在此低损耗条件下，激光器只能在较低的泵浦功率（约100 mW）下实现稳定锁模。输出光谱带宽仅为3 nm，呈现出典型的sech²形状。脉冲能量仅为96 pJ，约为高损耗情况下的26%。压缩后的脉冲宽度为825 fs，TBP为0.31，表明激光器运行在典型的传统孤子区域。

不同衰减下的系统研究

研究人员系统性地研究了不同耦合比（对应不同块状衰减）对锁模脉冲参数的影响。结果表明，随着腔内衰减的减小（从13 dB降至0.25 dB），孤子带宽单调减小。高损耗下的光谱呈现出准平顶形状，而低损耗下的光谱则呈现出典型的三角形轮廓。此外，随着腔内耗散的增强，激光光谱的中心波长也出现了蓝移。

数值模拟

数值模拟结果与实验观察高度一致。在高损耗（13 dB）情况下，模拟得到的输出脉冲带宽为8.1 nm，压缩后脉冲宽度为484 fs，TBP为0.48，与实验结果吻合。更重要的是，模拟揭示了腔内脉冲的演化动力学：尽管腔内净色散为反常色散，但脉冲在腔内传播时，其脉宽和光谱带宽都经历了显著的“呼吸”效应。脉宽从295 fs拉伸至914 fs（拉伸比3.1），光谱带宽从4.7 nm压缩至2.7 nm（拉伸比1.74）。同时，脉冲啁啾在腔内剧烈振荡，从正啁啾（19.4 ps^-2）变为负啁啾（-3.34 ps^-2），这正是展宽脉冲激光器的典型特征。计算得到的腔内非线性相移（B积分）高达4.2π，远高于传统孤子激光器的限制（通常小于π），表明这种类展宽脉冲运转对非线性相移具有更强的耐受能力。

相比之下，在低损耗（0.25 dB）情况下，模拟结果显示脉冲在腔内传播时脉宽和光谱带宽变化很小，啁啾几乎可以忽略，腔内非线性相移仅为0.6π，呈现出典型的传统孤子演化特征。

研究结论与讨论

该研究通过实验和数值模拟，清晰地证明了在传统孤子光纤激光器中引入大块衰减可以诱导出类展宽脉冲的运转模式。其背后的物理机制可以概括为：为了平衡大的腔内损耗，激光增益需要被显著增强。这导致脉冲在增益光纤中经历强烈的放大，产生高峰值功率、宽光谱和正啁啾的脉冲。随后，这个高能量的啁啾脉冲在反常色散光纤中传播，其啁啾在色散和非线性效应的共同作用下发生剧烈振荡，从而实现了显著的时域和频域拉伸。这种拉伸效应有效降低了脉冲的峰值功率，避免了因非线性效应过强而导致的脉冲分裂，从而允许产生更宽带宽和更高能量的脉冲。

这项研究揭示了腔内块状衰减在调控孤子激光器腔内动力学中的关键作用。它提供了一种简单而有效的方法，可以在不使用色散补偿光纤或带通滤波器的情况下，在全反常色散腔中实现高性能的类展宽脉冲运转。这不仅为优化锁模光纤激光器提供了一个新的自由度，也深化了我们对孤子激光器物理机制的理解。