利用有机酞菁镁脉冲调制器产生谐波畴壁暗脉冲

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Harmonic domain-wall dark pulse generation using Organic Magnesium Phthalocyanine Pulse Modulator

　　

摘要

利用镁酞菁（MgPc）作为可饱和吸收体（SA），在长腔掺铒光纤激光器（EDFL）中产生了谐波畴壁（DW）暗脉冲。MgPc可饱和吸收体通过简单的溶剂浇铸法将MgPc颗粒嵌入聚乙烯醇（PVA）基体中来制备，提供了一种灵活且成本效益高的非线性光学调制器。将MgPc SA加入长EDFL腔中后，它能够促进稳定的多波长振荡，这是DW暗脉冲形成的必要条件。共存波长分量之间的相互作用诱发了时间域中的拓扑缺陷，从而在强连续波背景上形成了窄的强度凹陷。通过仔细调节泵浦功率，从基频状态到六阶谐波状态均实现了稳定的暗脉冲运行。所有谐波状态均表现出良好的稳定性，信噪比（SNR）超过60 dB。所获得的最高重复频率为11.52 MHz，对应六阶谐波光锁状态。在该状态下，稳定运行可维持在146 mW至210.6 mW的泵浦功率范围内。当泵浦功率在此范围内调节时，平均输出功率从14.8 mW升至22.1 mW，表明提供了足够的腔内增益以支持稳定的多脉冲振荡。此外，六阶谐波光锁状态的超模抑制电平（SSL）为21.8 dB，证实超模噪声得到了有效抑制，且谐波脉冲串保持良好的稳定性。这些结果表明，基于MgPc的EDFL为谐波DW暗脉冲的产生提供了一个可靠而稳健的平台，在光通信、光传感和信号处理等各种光子学应用中具有广阔的应用前景。

引言

高重复频率脉冲光纤激光器凭借其体积小、光束质量高和峰值功率高等优势受到了广泛关注，在光通信、微波光子学、激光成像、频率计量、生物医学诊断和光谱学等领域具有重要应用价值 [1,2]。其中，工作在1.55 μm附近的掺铒光纤激光器（EDFLs）尤为引人注目，因为其拥有成熟的光纤光学技术、丰富的元器件选择以及良好的成本效益。高重复频率通常可通过缩短腔长、采用主动调制或谐波光锁（HML）来实现。缩短腔长可直接提高基频重复频率，但受限于短增益长度和掺杂浓度，输出功率有限。主动调制同样可以产生高重复频率脉冲，但通常需要更复杂的系统，且产生的脉冲宽度比无源方法更宽。相比之下，HML提供了一种简单而有效的方法来增大重复频率，而无需大幅缩短腔长 [3]。当腔内脉冲能量超过孤子面积定理所描述的孤子能量极限时，多余的能量可导致在一个腔内往返周期内形成额外的脉冲，从而产生谐波光锁。

光纤中的孤子形成最早由Hasegawa和Tappert利用非线性薛定谔方程（NLSE）进行了理论表述，该方程描述了亮孤子和暗孤子两种解 [4,5]。在反常色散区域中，亮孤子形成于连续波（CW）背景上的局部强度峰值，通常用双曲正割函数表示 [6]。迄今为止，各种纳米材料已被实验研究作为可饱和吸收体（SA）或脉冲调制器用于无源光锁，包括拓扑绝缘体 [7]、拓扑半金属 [8]以及HfS₃纳米片 [9]。Haris等人使用拓扑绝缘体Bi₂Se₃作为SA产生了孤子光锁脉冲 [7]。Pang等人利用基于GaGeTe的SA在EDFL中实现了Q开关和HML运行 [8]。同样，Li等人将双层HfS₃纳米片引入EDFL腔中作为SA，产生了重复频率为8.74 MHz、脉冲宽度为540 fs的光锁脉冲 [9]。相比之下，暗孤子通常出现在正常色散区域，表现为连续波背景上的局部强度凹陷，通常用双曲正切函数描述 [10,11]。尽管亮孤子在各项技术中已被广泛研究和应用 [12]，但暗孤子由于具有较强的抗噪声和长距离传输损耗容忍度、以及较低的峰值功率减少了非线性畸变等优势 [13,14]，其探索研究仍然相对较少。

在实验中，基于NLSE的暗脉冲产生通常通过1310 nm以下波长来实现，因为在此波长范围内标准单模光纤（SMF）工作于正常色散区域 [[15], [16], [17]]。在更长波长下，暗脉冲的产生通常需要额外的色散位移光纤或色散补偿光纤 [18,19]。除了NLSE机制外，暗脉冲也可源于三次-五次非线性薛定谔方程（CQNLSE），该方程考虑了高阶非线性效应，需要足够长的非线性介质以使非Kerr非线性占主导地位 [20,21]。另一个重要机制是畴壁（DW）暗脉冲，它源于多个激射波长之间的相互作用，并在时间域中产生拓扑缺陷 [22,23]。与基于NLSE和CQNLSE的暗脉冲不同，DW暗脉冲的形成并不严格受色散或非线性条件的限制，使其成为光纤激光腔中暗脉冲产生的一种灵活替代方案。

通常，DW暗脉冲的产生需要在激光腔内通过干涉机制诱发并维持多波长振荡。这种干涉效应可通过多种光纤激光构型实现，包括锥形光纤 [24]、非线性光学环路镜（NOLM）[25]以及非线性放大环路镜（NALM）[26]。这些机制促进了波长竞争以及不同振荡分量之间的相位相互作用，这是DW暗脉冲形成的必要条件。然而，每种方法都有其局限性。例如，锥形光纤对环境扰动非常敏感，使得长期稳定性更具挑战性。同时，基于NOLM和NALM的系统通常需要更复杂的腔构型，这可能增加对准难度并降低激光系统的紧凑性。

除了基于干涉仪的技术外，各种SA也已被研究用于促进暗脉冲的产生。这些包括稀土掺杂光纤段、SMF以及分级折射率多模光纤（GIMF）基结构，如SMF-GIMF-SMF构型 [27,28]。此外，多种低维材料，包括黑磷、碳纳米管和硫化钼，也已作为SA用于暗脉冲产生，因为它们具有宽带吸收、超快响应和强度依赖的透过特性 [[29], [30], [31]]。

近年来，金属酞菁因其机械柔韧性、化学稳定性、强非线性光学响应和优异的光电特性而作为潜在的SA材料受到了广泛关注。例如，铅酞菁已成功作为脉冲调制器用于产生中心波长为1530.5 nm、脉冲宽度为910 fs的超短脉冲 [32]。

本文利用涂覆MgPc的微光纤作为SA，在EDFL中展示了谐波DW暗脉冲。当该器件集成到长腔EDFL中时，它支持稳定的多波长振荡，其中共存波长分量之间的相互作用诱发了时间域中的拓扑缺陷，表现为强连续波背景上的窄强度凹陷。通过改变泵浦功率，从基频光锁状态到六阶谐波状态均实现了稳定的自启动暗脉冲运行，信噪比（SNR）超过60 dB。所提出的SA具有多种优势，包括制造工艺简单、与全光纤构型兼容，以及通过微光纤的倏逝场增强了非线性相互作用。其4.2%的调制深度提供了有效的强度依赖损耗调制，能够在多个谐波区间内实现稳定的暗脉冲产生。这些结果展示了涂覆MgPc的微光纤作为谐波DW暗脉冲产生的可靠非线性光学调制器的潜力。

章节摘要

MgPc SA的制备与特性

使用基于火焰拉伸技术的自制玻璃处理系统，从一段裸SMF-28光纤制备了光学微光纤。在该制备过程中，丁烷-氧气火焰被反复扫过光纤的局部区域，同时使用计算机控制的步进电机平移台对光纤进行拉伸，如图1(a)所示。火焰的持续刷扫提供了沿选定光纤区域的均匀加热，使得

实验装置

谐波畴壁暗脉冲EDFL的腔构型如图3所示。环形腔由1.8 m长的掺铒光纤（EDF）组成，作为增益介质。EDF通过980/1550 nm波分复用器（WDM）由980 nm单模半导体激光二极管（LD）进行泵浦，WDM将泵浦光耦合进增益光纤。腔内集成了一个偏振无关隔离器，以确保光的单向传播，并

结果与讨论

当泵浦功率调节在30.6–49.1 mW范围内时，成功实现了稳定的基频光锁。如图4所示，激光器产生了自启动且稳定的畴壁（DW）暗脉冲串，峰间间隔约为521 ns。该时间间隔对应约1.92 MHz的基频重复频率，这与估算的腔内往返时间和总腔长一致。稳定的脉冲串表明

结论

本工作中，在采用MgPc作为SA的长腔EDFL中成功演示了谐波DW暗脉冲。文中介绍了MgPc基SA的制备路线和关键特性，并对光锁脉冲行为进行了详细评估。当MgPc SA集成到长EDFL腔中后，证明其支持稳定的多波长激射，这是DW暗脉冲出现的必要条件。同时振荡的波长之间的竞争

CRediT作者贡献声明

M.I.Z.M. Zabidi：起草初稿，调查，形式分析。M.A.M. Johari：审阅和编辑，资源，概念构思。Masruroh：概念构思，方法论，审阅和编辑。Tiu Zian Cheak：方法论，概念构思。A.H.A. Rosol：审阅和编辑，项目管理，调查，概念构思。K. Dimyati：审阅和编辑，方法论，概念构思。Sulaiman Wadi Harun：审阅和编辑，撰写——

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

M.I.Z.M. Zabidi|M.A.M. Johari|Maserouh|Tiu Zian Cheak|A.H.A. Rosol|K. Dimyati|Sulaiman Wadi Harun

光子学工程实验室，马来西亚大学电气工程系，吉隆坡，50603，马来西亚