CN105140766A - 一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器及产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器及产生方法，涉及一种激光器。本发明包括泵浦源以及由波分复用器、掺铒光纤、保偏光纤、光纤耦合器、光环行器和偏振控制器Ⅰ通过单模被动光纤依次连接成光纤环形腔；光环行器的一端连接半导体可饱和吸收镜，将半导体可饱和吸收镜耦合进光纤环形腔内形成光纤兼容型器件；光纤耦合器的输出端通过单模被动光纤依次连接偏振控制器Ⅱ、偏振分束器；泵浦源通过波分复用器的泵浦光输入端口把泵浦光注入光纤环形腔，光纤耦合器的输出端输出产生基阶群速度锁定矢量孤子，偏振控制器Ⅱ联合偏振分束器将基阶群速度锁定矢量孤子转变为高阶群速度锁定矢量孤子激光脉冲输出。

Description

一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器及产生方法
技术领域
本发明涉及一种激光器，具体是一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器及产生方法。
背景技术
矢量孤子是指具有多个孤子分量且各孤子分量耦合在一起以相同的群速度在介质中传播的孤子。单模光纤通常都具有弱的双折射，导致光纤中存在两个正交的偏振方向，使矢量孤子在单模光纤中产生成为可能。CurtisRMenyuks首先预言了光纤中存在矢量孤子（[1]C.R.Menyuk,"Stabilityofsolitonsinbirefringentopticalfibers.I:Equalpropagationamplitudes,"Opt.Lett.12,614-616(1987)）。随后的研究表明，根据光纤双折射大小的不同，光纤中能产生各种类型的矢量孤子，例如相位锁定矢量孤子，偏振锁定矢量孤子，群速度锁定矢量孤子。
除了在光纤中，实验上在锁模光纤激光器中也获得了矢量孤子。光纤激光器中矢量孤子的产生不仅取决于群速度色散和非线性科尔效应之间的相互作用，还受到腔的增益与损耗以及腔的边界条件的影响。对于相位锁定矢量孤子，它们的脉冲时域形状和偏振态在传播过程中保持不变。基阶和高阶形式的相位锁定矢量孤子都已经在实验中得到（[2]D.Y.Tang,Observationofhigh-orderpolarization-lockedvectorsolitonsinafiberlaser[J],Phys.Rev.Lett.,2008,101(15)：153904.）。对于群速度锁定的矢量孤子，虽然光纤双折射可以导致两个正交的偏振分量的群速度不一样，但是两个偏振分量通过自相位调制和交叉相位调制从而使中心波长发生偏移，因此在弱双折射光纤中两个偏振方向上产生的孤子可以相互捕获，并作为一个整体在光纤中传输。
基阶群速度锁定矢量孤子的研究已有所报道（[3]LumingZhao.Solitontrappinginfiberlasers[J].OpticsExpress,2008,16(13)：9528-9533），但高阶群速度锁定矢量孤子的形成还未见诸文献。
发明内容
为了解决目前尚未有产生高阶群速度锁定矢量孤子的问题，本发明提供一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器及高阶群速度锁定矢量孤子产生方法，实现高阶群速度锁定矢量孤子光脉冲输出。
本发明是以如下技术方案实现的：一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器，包括泵浦源以及由波分复用器、掺铒光纤、保偏光纤、光纤耦合器、光环行器和偏振控制器Ⅰ通过单模被动光纤依次连接成光纤环形腔；光环行器的一端连接半导体可饱和吸收镜，将半导体可饱和吸收镜耦合进光纤环形腔内形成光纤兼容型器件；光纤耦合器的输出端通过单模被动光纤依次连接偏振控制器Ⅱ、偏振分束器；泵浦源通过波分复用器的泵浦光输入端口把泵浦光注入光纤环形腔，所述光纤耦合器的输出端输出产生基阶群速度锁定矢量孤子，偏振控制器Ⅱ联合偏振分束器将基阶群速度锁定矢量孤子转变为高阶群速度锁定矢量孤子激光脉冲。
一种高阶群速度锁定矢量孤子产生方法；具体步骤如下：通过腔外偏振控制器有效调节腔内输出的基阶群速度锁定矢量孤子两正交成分之间的相位，使相位差为2π的整数倍,随后经过偏振控制器Ⅱ后基阶群速度锁定矢量孤子通过偏振分束器，基阶矢量孤子的两个正交成分分别在偏振分束器的横轴和纵轴上投影；当基阶群速度锁定矢量孤子两个偏振成分之间的时域间隔比较小时，横轴的投影结果为两个同相位的脉冲的叠加成一个单峰脉冲，纵轴投影结果为双峰脉冲，两个峰之间的相位差为π，称之为“1+2”型高阶群速度锁定矢量孤子；当基阶群速度锁定矢量孤子两个偏振成分之间的时域间隔比较大时，横轴的投影结果为双峰脉冲，两个峰同相位，纵轴投影结果为双峰脉冲，两个峰之间的相位差为π，称之为“2+2”型高阶群速度锁定矢量孤子。
本发明的有益效果是：在光纤激光器中，实现高阶群速度锁定矢量孤子光脉冲输出。
附图说明
图1为本发明结构组成示意图；
图2为高阶群速度锁定矢量孤子的光谱图；
图3为高阶群速度锁定矢量孤子的强度自相关曲线。
具体实施方式
如图1所示，一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器，其特征在于：包括泵浦源1以及由波分复用器2、掺铒光纤3、保偏光纤4、光纤耦合器5、光环行器6和偏振控制器Ⅰ8通过单模被动光纤依次连接成光纤环形腔；光环行器6的一端连接半导体可饱和吸收镜7，将半导体可饱和吸收镜7耦合进光纤环形腔内形成光纤兼容型器件；光纤耦合器5的输出端通过单模被动光纤依次连接偏振控制器Ⅱ9、偏振分束器10；泵浦源1通过波分复用器2的泵浦光输入端口把泵浦光注入光纤环形腔，所述光纤耦合器5的输出端输出基阶群速度锁定矢量孤子，偏振控制器Ⅱ9联合偏振分束器10将基阶群速度锁定矢量孤子转变为高阶群速度锁定矢量孤子激光脉冲。
本实施例中，泵浦源1采用单模光纤耦合的半导体激光器，波长为1480nm或980nm，最大输出功率1W。为防止残余泵浦光对半导体可保和吸收镜的损害，本实施例中采用反向泵浦结构，标记A为泵浦光输入，标记B为高阶群速度锁定矢量孤子的激光输出。
波分复用器2的工作波长是1480/1550nm或980/1550nm，其中标记2a、2b和2c分别为该波分复用器的泵浦端、公共端和信号端。泵浦源1通过波分复用器2的泵浦光输入端口把泵浦光注入光纤环形腔。
掺铒光纤3采用2m长的掺铒光纤作为激光增益介质，可购自LIEKKI公司型号为Er110-4/125的掺铒光纤。
保偏光纤4采用0.25m长的保偏光纤，型号为PM1550-XP，可购自Nufern公司，增加光纤环形腔的双折射。
光纤耦合器5采用80：20光纤耦合器，其中标记5a、5b、5c分别为该光纤耦合器的输入端、80%输出端、20%输出端。
半导体可饱和吸收镜7通过光环行器的6b一端耦合进腔内形成光纤兼容型器件，用于实现光纤谐振腔中的锁模机制。光环行器的6a端连接偏振控制器Ⅰ8，6c端连接光纤耦合器的输入端。半导体可饱和吸收镜7可选择参数为中心波长1550nm，调制深度5.5%，弛豫时间2ps的半导体可饱和吸收镜。
偏振控制器Ⅰ8采用三片线圈旋转式的偏振控制器，购自Thorlabs公司，型号为FPC560，也可以采用挤压式偏振控制器，通过调节偏振控制器Ⅰ8来改变光纤谐振腔的双折射。
偏振控制器Ⅱ9采用三片线圈旋转式的偏振控制器，购自Thorlabs公司，型号为FPC560。通过调节偏振控制器Ⅱ9来改变腔外基阶矢量孤子两正交成分之间的相位差，可以调节覆盖整个2π的相位空间。
偏振分束器10为光纤耦合型，购自Haphit公司，中心波长1550nm，偏振消光比23dB。偏振分束器的2个输出端口所用光纤为保偏光纤，因此获得的高阶群速度锁定矢量孤子输出能保持其偏振态。
单模被动光纤采用11.75m长标准单模光纤，可购自康宁公司型号为SMF-28e的单模被动光纤，单模被动光纤用于连接各个器件。
增加泵浦功率超过140mW，并适当设置偏振控制器Ⅰ8的位置，激光器可以达到锁模状态。相比较采用非线性偏振旋转锁模技术，采用半导体可饱和吸收镜锁模具有偏振不敏感性，因此在腔内可以获得基阶群速度锁定矢量孤子脉冲输出。腔内获得的矢量孤子通过偏振控制器Ⅱ9的调节，使两正交成分之间的相位差为2π的整数倍。经过偏振控制器Ⅱ9后基阶群速度锁定矢量孤子通过偏振分束器，基阶矢量孤子的两个正交成分分别在偏振分束器的横轴和纵轴上投影产生高阶群速度锁定矢量孤子。当基阶群速度锁定矢量孤子两个偏振成分之间的时域间隔比较小时，横轴的投影结果为两个同相位的脉冲的叠加成一个单峰脉冲，纵轴投影结果为双峰脉冲，两个峰之间的相位差为π，称之为“1+2”型高阶群速度锁定矢量孤子；当基阶群速度锁定矢量孤子两个偏振成分之间的时域间隔比较大时，横轴的投影结果为双峰脉冲，两个峰同相位，纵轴投影结果为双峰脉冲，两个峰之间的相位差为π，称之为“2+2”型高阶群速度锁定矢量孤子。
高阶群速度锁定矢量孤子的光谱如图2，横坐标为波长（Wavelength[nm]），纵坐标为光谱强度(SpectralIntensity[dB])。中心波长1574nm，没有经过偏振分束器的光谱具有明显的矢量孤子的双边带特征，双边带的间距表征两个正交偏振方向中心波长的偏移，此偏移量约为1nm。经过偏振分束器后形成高阶群速度锁定矢量孤子，纵轴的光谱图的中心波长处有一个深的沟。
使用FEMTOCHROME公司的FR-103(HS)强度自相关仪测量获得的高阶群速度锁定矢量孤子的强度自相关信号如图3，横坐标为时间（Time[ps]），纵坐标为光脉冲强度(Intensity[arb.units])。横轴为单峰脉冲，脉冲宽度为1.2ps。纵轴为双峰脉冲，峰宽度为932fs，两个峰之间存在π的相位差。
本发明通过在腔外设置偏振控制器Ⅱ有效调节腔内输出的基阶群速度锁定矢量孤子两正交成分之间的相位，当相位差为2π的整数倍时，偏振分束器将基阶群速度锁定矢量孤子转变为高阶群速度锁定矢量孤子的输出，横轴单峰脉冲宽度为1.2ps，纵轴双峰脉冲宽度为932fs。脉冲重复频率为13.9MHz，中心波长为1574nm。在光纤激光器中，本发明实现的高阶群速度锁定矢量孤子光脉冲输出，尚属首次。

Claims (10)

1.一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器，其特征在于：包括泵浦源（1）以及由波分复用器（2）、掺铒光纤（3）、保偏光纤（4）、光纤耦合器（5）、光环行器（6）和偏振控制器Ⅰ（8）通过单模被动光纤依次连接成光纤环形腔；光环行器（6）的一端连接半导体可饱和吸收镜（7），将半导体可饱和吸收镜（7）耦合进光纤环形腔内形成光纤兼容型器件；光纤耦合器（5）的输出端通过单模被动光纤依次连接偏振控制器Ⅱ（9）、偏振分束器（10）；泵浦源（1）通过波分复用器（2）的泵浦光输入端口把泵浦光注入光纤环形腔，所述光纤耦合器（5）的输出端输出基阶群速度锁定矢量孤子激光脉冲，偏振控制器Ⅱ（9）联合偏振分束器（10）将基阶群速度锁定矢量孤子转变为高阶群速度锁定矢量孤子激光脉冲。
2.如权利要求1所述的一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器，其特征在于:所述的泵浦源（1）采用单模光纤耦合的半导体激光器，波长为1480nm或980nm。
3.如权利要求1所述的一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器，其特征在于:所述的波分复用器（2）的工作波长是1480/1550nm或980/1550nm。
4.如权利要求1所述的一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器，其特征在于:所述的掺铒光纤（3）采用2m长的掺铒光纤作为激光增益介质，型号为Er110-4/125。
5.如权利要求1所述的一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器，其特征在于:所述的保偏光纤（4）采用0.25m长的保偏光纤，型号为PM1550-XP，增加光纤环形腔的双折射。
6.如权利要求1所述的一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器，其特征在于:所述光纤耦合器（5）采用80：20光纤耦合器。
7.如权利要求1所述的一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器，其特征在于:所述偏振控制器Ⅰ（8）和偏振控制器Ⅱ（9）均采用三片线圈旋转式偏振控制器。
8.如权利要求1所述的一种高阶群速度锁定矢量孤子激光器，其特征在于:所述偏振分束器（10）为光纤耦合型。
9.一种采用1-8任一激光器的高阶群速度锁定矢量孤子产生方法；其特征在于：具体步骤如下：
一种高阶群速度锁定矢量孤子产生方法；具体步骤如下：通过腔外偏振控制器Ⅱ有效调节腔内输出的基阶群速度锁定矢量孤子两正交成分之间的相位，使相位差为2π的整数倍,随后经过偏振控制器Ⅱ后基阶群速度锁定矢量孤子通过偏振分束器，基阶矢量孤子的两个正交成分分别在偏振分束器的横轴和纵轴上投影；当基阶群速度锁定矢量孤子两个偏振成分之间的时域间隔比较小时，横轴的投影结果为两个同相位的脉冲的叠加成一个单峰脉冲，纵轴投影结果为双峰脉冲，两个峰之间的相位差为π，称之为“1+2”型高阶群速度锁定矢量孤子；当基阶群速度锁定矢量孤子两个偏振成分之间的时域间隔比较大时，横轴的投影结果为双峰脉冲，两个峰同相位，纵轴投影结果为双峰脉冲，两个峰之间的相位差为π，称之为“2+2”型高阶群速度锁定矢量孤子。
10.根据权利要求9所述的一种高阶群速度锁定矢量孤子产生方法；其特征在于：偏振控制器Ⅱ为三片线圈旋转式偏振控制器，偏振分束器（10）的2个输出端口所用光纤为保偏光纤。
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