基于Sb2Se3声光调制器（SA）和非线性偏振反射（NPR）混合锁模效应以及三重滤光技术的波长可调模式锁定全光纤激光器

《Optics & Laser Technology》：Wavelength tunable mode-locked all-fiber laser based on Sb2Se3 SA and NPR hybrid mode-locked and triple filtering effects

提出一种基于三重过滤器的铒掺杂光纤激光器，通过Sb2Se3-MMF饱和吸收器与MMF极化控制器协同作用实现双复合单模光纤-多模光纤-单模光纤（SMS）复合滤波，结合MMF极化非线旋转（NPR）结构形成新型混合锁模系统。实验表明可调谐双波长、稳定三波长锁模及脉冲模式切换，验证了三重过滤器的协同作用机制，为低成本光纤激光器提供新方案。

　　

李星伟|张彦军|文一凡|李建设|李曙光|秦玲|裴梦蕾|王世泽|周彦波|孙旭新

信息科学与工程学院，河北省特种光纤与光纤传感器重点实验室，燕山大学，秦皇岛066004，河北，中国

摘要

我们提出了一种双滤波掺铒光纤锁模激光器。Sb₂Se₃多模光纤（MMF）饱和吸收器（SA）和MMF偏振控制器（PC）共同作用，实现了双复合单模光纤—MMF—单模光纤（SMS）的滤波效果。同时，通过引入PD-ISO结构，形成了单PC非线性偏振旋转（NPR）系统，便于生成多波长锁模。实验结果表明，通过调节PC，不仅可以调节双波长锁模的中心波长，还可以实现Q开关锁模脉冲和孤子锁模脉冲之间的切换。因此，该光纤激光器能够实现可调双波长锁模、稳定三波长锁模以及脉冲类型切换。这种激光器为学术研究中的低成本全光纤激光器提供了技术基础。

引言

近年来，多波长锁模光纤激光器在光学通信系统、激光测距、光谱分析和分布式光纤传感等领域展示了显著的应用价值。这归功于它们的优势，如输出波长多、光束质量高、转换效率高以及调节方便[1]，[2]。SA是多波长锁模激光器的核心组件，它通过非线性光学效应筛选高强度脉冲，这对于实现多波长锁模和超短脉冲生成至关重要[3]。能够实现多波长锁模脉冲操作的SA主要分为人工SA和天然SA。人工SA包括非线性多模干涉（NMMI）和非线性偏振旋转（NPR）等。这些吸收器由于易于生成多波长脉冲且与光纤兼容，无需额外的复杂材料制备而具有优势[4]。随着人工智能技术的进步，研究人员利用AI作为数据驱动的分析和处理工具，实现了锁模光纤激光器的快速启动和灵活切换[5]。例如，顾刚等人提出了一种基于人工SA的NPE自振荡光纤激光器，能够自由切换连续波锁模、孔径调制和孔径调制锁模模式[6]。孙杰等人报告了基于AI的腔内NPR-Lyot复合滤波器控制，通过时频域深度学习实现了双波长孤子生成和相位重建[7]。尽管AI驱动的方法缓解了自启动挑战，但AI驱动的锁模光纤激光器仍受限于对大型高质量标记数据集的过度依赖、固有的“黑箱”性质以及缺乏可解释性。相比之下，由二元材料组成的人工SA因其非线性吸收特性而受到越来越多的关注，这种特性使其能够实现自启动锁模[8]。

自从报道了由石墨烯组成的SA可以实现双波长锁模操作[9]以来，其他具有优异非线性光学特性的二维材料，如拓扑绝缘体（TIs）、过渡金属硫属化合物（TMDs）和黑磷（BP），也得到了广泛研究，并显示出令人印象深刻的性能[10]，[11]，[12]。除了上述二维材料外，研究人员还在探索新型二维材料，希望在这些材料中实现多波长锁模光纤激光器的更优性能。值得注意的是，Sb₂Se₃作为一种新型环保的二维层状硫属化合物材料，具有可调的光学带隙和良好的载流子迁移率[13]，[14]，在拓扑绝缘体和光纤激光器领域展现出巨大潜力。2021年，马晓辉等人报道了使用Sb₂Se₃作为饱和吸收器在铥掺杂光纤激光器中实现谐波锁模[15]。2022年，王柏林等人报道了基于Sb₂Se₃和氧化石墨烯混合物的掺铒光纤（EDF）激光器的孤子锁模，并将其与氧化石墨烯SA激光器的输出进行了比较[16]。

在多波长锁模光纤激光器中，人工SA与天然SA的结合使用，有助于生成具有高平均功率、时间纯度和高频率稳定性的超短脉冲[17]。2023年，耿晓刚等人报道了一种利用非对称双锥光纤耦合器的可切换多波长EDF激光器，能够在单波长、双波长和三波长状态下稳定运行[18]。同年，杨洋等人提出了一种基于单模光纤（SMF）-GIMF-SMF结构的铥掺杂多波长锁模光纤激光器，实现了15.69 nm的调谐范围[19]。NPR技术有效抑制了模式竞争，平衡了不同振荡之间的强度，从而促进了多个波长的锁模[20]。2023年，耿晓刚等人还报道了一种基于NPR和NMMI混合锁模方法的多波长被动锁模光纤激光器，实现了从三波长到六波长的转换[21]。2024年，韩勇等人介绍了一种基于SESAM和NPR的多波长锁模光纤激光器，实现了波长可调的双波长锁模以及稳定的三波长锁模[22]。

在实现多波长锁模的各种技术中，光谱滤波技术通过调节特定波长成分的传输或反射特性，实现其选择性放大或衰减，这对于实现稳定的多波长共存至关重要[23]，[24]。虽然现有对多波长光纤激光器中滤波机制的研究主要集中在单一滤波方法上，如少模光纤滤波[24]、双Sagnac梳状滤波[25]和双马赫-曾德尔干涉仪（MZI）滤波[26]，但对混合或多级滤波架构的探索仍然有限。这表明迫切需要开发能够协同整合多种滤波方法的解决方案。

本文提出了一种基于三重滤波的多波长锁模全光纤激光器。在结构设计方面，采用了SMF和多模光纤（MMF）的复合架构。首先，通过锥形MMF制备了Sb₂Se₃-MMF SA，并将其嵌入基于SMF的激光谐振器中，形成SMS滤波结构。其次，它突破了传统的双SMF偏振控制器（PC）配置，在NPR技术中创新性地引入了MMF-PC，形成了三重滤波系统。实验系统通过Sb₂Se₃-MMF SA、MMF-PC和MMF-NPR三个核心模块的协同工作机制，结合300 m SMF引入的双折射效应和非线性积累，实现了混合锁模和三重滤波。通过调节PC，不仅可以实现单波长、双波长和三波长的可切换输出，还可以灵活地在孤子锁模脉冲和Q开关锁模脉冲之间切换。这种全光纤架构仅使用了三种基本的光纤组件EDF、SMF和MMF，与传统方案相比降低了材料成本，避免了复杂的空间光学对准过程。该激光器揭示了SA特性与MMF-PC、Sb₂Se₃-MMF SA和MMF-NPR的偏振滤波机制之间的协同作用规律，为多波长可调超快激光系统提供了新的设计范式。这种设计方案为低成本制造和多波长锁模全光纤应用开辟了新途径。

实验设置

实验装置

如图1(a)所示，激光器由980 nm激光二极管（LD）泵浦，波长增益由50 cm EDF提供。波分复用器（WDM）将它们连接起来。在谐振器中，脉冲由Sb₂Se₃-MMF SA锁定。Sb₂Se₃-MMF SA、偏振依赖隔离器（PD-ISO，即NPR结构，防止脉冲返回）、SMF-PC、300 m SMF和30/70输出耦合器（OC）依次连接。我们在PC中用3 m MMF替换了3 m SMF。

SA和Sb₂Se₃的特性

图1中的激光器基于Sb₂Se₃-MMF SA的锁模原理，可以通过泡利阻塞原理来解释[27]。我们研究了Sb₂Se₃的非线性特性，以确定其是否适合用于EDF激光器的SA制备。实验中使用的Sb₂Se₃是市售粉末。Sb₂Se₃-MMF SA的生产过程如图2所示。将0.04 g的Sb₂Se₃粉末与酒精溶液混合，然后超声处理后静置1天

理论分析

在光纤激光器中，波长选择由混合滤波机制控制。这种复合滤波器源于NPR和多模干涉（MMI）的级联效应，后者由阶梯折射率MMF引起。总腔内传输函数T_total可以表示为三种不同空间和偏振调制的乘积[17]：