基于Lyot滤波器的掺铒光纤激光器中双波长锁模的谱时间孤子建立动力学

《Optics & Laser Technology》：Spectro-temporal soliton buildup dynamics of dual-wavelength mode-locking in a Lyot-filter-based Erbium-doped fiber laser

　　

摘要

双波长锁模光纤激光器能够在不同波长上同时产生超快脉冲序列，被广泛应用于双光梳精密计量中。然而，在广泛使用的基于Lyot滤波器的掺铒光纤（EDF）激光器中，异步双波长锁模的孤子建立动力学尚未被充分揭示。在这项工作中，我们利用色散傅里叶变换（DFT）技术，对这类激光器中的光谱-时间孤子动力学进行了实时观测，揭示了孤子从初始噪声状态到稳定异步双波长锁模的整个光谱-时间演化过程。除了典型的孤子锁模建立动力学，包括弛豫振荡、准锁模和拍动力学外，我们还在单波长运行期间观测到了明显的准周期能量脉冲现象，以及在稳定双波长锁模期间的周期性孤子碰撞。此外，我们首次阐明了从单波长到双波长锁模转变过程中的瞬态孤子动力学。具体而言，我们发现腔内孤子相互作用和能量重新分布触发了新的锁模孤子的形成，其中心波长由弛豫振荡期间最强的孤子决定。此外，对周期性孤子碰撞的数值模拟与实验观测结果高度吻合。我们的发现为深入理解双波长锁模孤子演化中的非线性孤子动力学以及双光梳光纤激光器的优化设计提供了进一步的见解。

引言

双波长锁模光纤激光器是超快脉冲的高效光源，在太赫兹计量[1]、光谱测量[2]、[3]以及绝对距离测量[4]等领域有着广泛的应用。通过优化谐振腔结构，单腔光纤激光器可以输出异步脉冲序列，且重复频率差极小（$\mathrm{\Delta }{f}_{\text{rep}}$）[5]。由于两个脉冲序列共享同一个腔体，它们具有优异的互相干性，从而有效地抑制了 $\mathrm{\Delta }{f}_{\text{rep}}$ 中的共模波动[6]。迄今为止，双波长锁模光纤激光器已广泛采用波分复用技术实现，包括引入梳状滤波器[7]、构建双环路由[8]、[9]以及利用偏振复用[10]。作为典型的双波长锁模激光器，基于Lyot滤波器的方案利用可调腔内偏振干涉产生周期性光谱发射窗口[11]，从而实现可控的双波长运行[5]、[12]。然而，这种稳定双波长锁模的形成涉及多阶段的非线性孤子动力学演化，这对锁模状态的稳定性至关重要[13]。因此，研究此类光纤激光器中的孤子建立动力学，对于深入理解锁模机制以及优化双波长锁模激光器的性能至关重要。

在过去十年中，色散傅里叶变换（DFT）技术被广泛用于对非线性光学系统中瞬态过程的实时研究[14]、[15]、[16]、[17]。该技术已成功应用于实时观测锁模孤子内部的运动以及锁模激光器内复杂的相互作用动力学，包括孤子分子的演化[18]、脉冲孤子[19]和孤子爆炸[20]，尽管这些报道主要集中于传统的单波长孤子。先前的研究还观测了双波长锁模光纤激光器中的实时瞬态孤子动力学，揭示了诸如双波长孤子碰撞引起的频谱重塑[21]、耗散孤子分子内部的相互作用[22]以及耗散 rogue wave 的产生[23]等现象。尽管已有对双波长孤子在其他锁模光纤激光器中瞬态动力学的研究，例如八字形光纤激光器[24]和双向光纤激光器[25]，但基于Lyot滤波器的配置将光谱滤波与偏振相关的锁模机制相结合[26]，导致了根本不同的瞬态建立动力学。多年来，基于Lyot滤波器的双波长激光器已被广泛研究和应用[27]、[28]、[29]、[30]。然而，此类双波长光纤激光器中孤子建立的光谱-时间动力学至今尚未被探索。

在本文中，我们开发了一种自启动的基于Lyot滤波器的EDF双波长锁模激光器，并利用DFT技术观测了异步双波长孤子的整个实时光谱-时间建立动力学。通过同时分析脉冲的光谱强度演化、腔内能量演化和场自相关迹线，我们清楚地识别了双波长锁模建立过程中每个阶段的瞬态动力学。本研究推进了对双波长锁模光纤激光器中非线性孤子动力学的理解，并为开发高稳定双波长光纤激光光源奠定了理论基础。

章节摘要

实验装置

图1(a)显示了实验装置的示意图。该激光器由980 nm激光二极管（LD）泵浦源、用于将泵浦光送入EDF提供增益的980/1550 nm波分复用器（WDM）、用于抑制反向激发的光隔离器（ISO）、用于调节腔内偏振态的偏振控制器（PC）、带有20 cm长保偏光纤（PMF）尾纤的线内偏振器（ILP）以及单壁碳纳米管（SWNT） saturable absorber

实验结果

在从腔中移除ILP并适当调节PC后，在110 mW的泵浦功率下实现了稳定的单波长锁模状态。如图2(a)所示，OSA和DFT系统测得的中心波长在1558.2 nm处完全匹配。此外，OSA测得的半高全宽（FWHM）为3.50 nm，而DFT测得的为3.52 nm，对应的相对误差约为0.57%。

将ILP重新插入腔中后，异步双波长

结论

总之，我们通过实时观测研究了基于Lyot滤波器的EDF锁模激光器中双波长孤子锁模的形成和演化。这项工作阐明了从噪声状态到稳定双波长锁模状态转变过程中孤子建立的光谱-时间动力学。异步双波长锁模过程经历了五个不同的阶段：初始噪声状态、抬高的弛豫振荡，

CRediT作者贡献声明

Wang Keming：撰写——初稿，调查研究，数据整理。Xiang Wanfeng：软件，数据整理。Zhao Rui：可视化，软件，调查研究。Zhang Xiangwen：可视化，形式分析。Han Jinze：软件，数据整理。Qiao Lijun：可视化，形式分析。Chen Jie：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念构思。Zhang Mingjiang：监督，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

Wang Keming | Xiang Wanfeng | Zhao Rui | Zhang Xiangwen | Han Jinze | Qiao Lijun | Chen Jie | Zhang Mingjiang