CN110224290B - 孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器，包括泵浦源、波分复用耦合器、掺镱增益光纤、输出耦合器、第一偏振控制器、单模光纤、起偏器、隔离器和第二偏振控制器；泵浦源的输出端连接波分复用耦合器的输入端，波分复用耦合器、掺镱增益光纤、输出耦合器、第一偏振控制器、单模光纤、起偏器、隔离器和第二偏振控制器依次连接形成光纤环形腔。同时也公开了相应的方法。本发明实现了孤子间距和孤子个数可控的孤子分子光脉冲输出，为孤子分子应用提供了基础。

Description

孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器及方法
技术领域
本发明涉及一种孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器及方法，属于激光设备领域。
背景技术
孤子是指在介质中可以无形变传输的波包。在反常色散光纤中传输的脉冲，当光纤色散效应和非线性效应平衡时，脉冲传输可以保持形状不变，即孤子产生。光纤激光器中形成的脉冲在稳态时在光纤激光器中的固定截面上可以保持波包形状不变，因此光纤激光器中形成的脉冲也可以被称为“孤子”。
当两个或多个孤子存在相互作用且可以保持间距不变的时候，孤子束缚态形成。孤子束缚态可以认为是由两个或多个孤子组成的孤子分子，因为基于孤子束缚态可以表征出一系列基于孤子的脉冲特性：比如基于孤子束缚态的谐波锁模，基于孤子束缚态的束缚态等。
孤子是天然的二进制信息单元，有孤子代表信息元“1”，无孤子代表信息元“0”。孤子分子的研究已有报道（Lei Li, Haitao Huang, Lei Su, Deyuan Shen, DingyuanTang, Mariusz Klimczak, and Luming Zhao, "Various soliton molecules in fibersystems," Appl. Opt. 58, 2745-2753 (2019)），但要应用孤子分子，孤子分子内部的孤子间距和个数必须是可控的。孤子间距可控的孤子分子，以及孤子个数可控的孤子分子的产生还未见诸文献。
发明内容
本发明提供了一种孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器及方法，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器，包括泵浦源、波分复用耦合器、掺镱增益光纤、输出耦合器、第一偏振控制器、单模光纤、起偏器、隔离器和第二偏振控制器；泵浦源的输出端连接波分复用耦合器的输入端，波分复用耦合器、掺镱增益光纤、输出耦合器、第一偏振控制器、单模光纤、起偏器、隔离器和第二偏振控制器依次连接形成光纤环形腔。
泵浦源采用半导体激光器，波长为974nm~980nm。
第一偏振控制器和第二偏振控制器采用三环式偏振控制器或挤压式偏振控制器。
单模光纤为单模被动光纤。
光纤环形腔中连接用的光纤为单模被动光纤。
起偏器为带有光纤尾纤的起偏器。
隔离器为带有光纤尾纤的偏振无关隔离器。
一种激光器的孤子间距和孤子个数可控的方法，包括，
选择单模光纤长度，确定孤子间距量级；
调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，实现多锁模脉冲，产生孤子分子；
调节第一偏振控制器，对孤子间距进行调节；
调节泵浦源功率，对孤子个数的调节。
在一定的功率区间内调节泵浦源功率，对孤子个数的调节。
本发明所达到的有益效果：1、本发明的激光器中，实现了孤子间距和孤子个数可控的孤子分子光脉冲输出，为孤子分子应用提供了基础；2、本发明通过调节第一偏振控制器和第二偏振控制器产生孤子分子，通过调节第一偏振控制器实现孤子间距可控，通过调节泵浦源功率实现孤子个数可控，为孤子分子应用提供了基础。
附图说明
图1为本发明激光器的结构示意图；
图2为孤子分子的光谱；
图3为孤子分子的示波器测量结果；
图4为孤子分子的局部放大图；
图5为孤子分子的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器，包括泵浦源1、波分复用耦合器2、掺镱增益光纤3、输出耦合器4、第一偏振控制器5、单模光纤7、起偏器8、隔离器9和第二偏振控制器10。
泵浦源1的输出端连接波分复用耦合器2的输入端，波分复用耦合器2、掺镱增益光纤3、输出耦合器4、第一偏振控制器5、单模光纤7、起偏器8、隔离器9和第二偏振控制器10依次连接形成光纤环形腔，其中，第一偏振控制器5和起偏器8均通过光纤法兰盘接口6与单模光纤7连接，光纤环形腔中连接用的光纤（即连接相邻部件之间的光纤）为单模被动光纤。
泵浦源1采用单模被动光纤耦合的半导体激光器，波长范围为974 nm~980nm，最大输出功率750mW，波分复用耦合器2的工作波长是980/1060 nm，泵浦源1通过波分复用耦合器2把泵浦光注入光纤环形腔。
掺镱增益光纤3采用50 cm长的掺镱光纤作为激光增益介质，可用Coractive公司型号为YB501的掺镱光纤。
输出耦合器4采用90：10光纤耦合器，其中输出端为10%。
第一偏振控制器5和第二偏振控制器10采用三环式偏振控制器，可用Thorlabs公司型号为FPC560的三环式偏振控制器，也可采用挤压式偏振控制器，通过调节第一偏振控制器5和第二偏振控制器10来改变光纤环形腔（即光纤谐振腔）的双折射和腔内光偏振状态，可以调节覆盖整个2π的相位空间。通过调节腔内光偏振状态，与起偏器8一起共同作用经由非线性偏振旋转锁模实现孤子分子产生。产生孤子分子后，微调第一偏振控制器5可以调整孤子分子中的孤子间距，选定孤子间距后，增加或降低泵浦功率可以进一步调整孤子分子中的孤子个数。
单模光纤7采用300 m长的为普通单模被动光纤，可采用Nufern公司型号为1060XP的单模被动光纤。单模光纤7的长度由腔的等效双折射滤波带宽决定，一般要求带宽小于2nm，假定特定长度的单模光纤7的平均双折射长度为1m@1060nm（表示平均双折射长度在1060nm处是1m），则要求单模光纤7长度大于250m。
起偏器8为带有光纤尾纤的起偏器8，偏振消光比大于20dB，中心波长为1060nm，尾纤型号为1060XP 。
隔离器9为带有光纤尾纤的偏振无关隔离器9，隔离度大于25dB，中心波长为1060nm，尾纤型号为1060XP。
上述激光器的孤子间距和孤子个数可控的方法，包括以下步骤：
步骤1，选择单模光纤7长度，确定孤子间距量级。
通过选择特定长度的单模光纤7使得腔内等效双折射滤波的带宽小于2nm，从而使得孤子分子中的孤子间距量级为ns。
步骤2，初始泵浦功率设为300mW，调节第一偏振控制器5和第二偏振控制器10，实现多锁模脉冲，产生孤子分子。
孤子分子的光谱如图2，横坐标为波长（Wavelength[nm]），纵坐标为光谱强度(Spectral Intensity[dB])。中心波长1045.7 nm，3dB带宽为0.9nm，对应的变换极限脉冲宽度是1.68ps。光谱具有正常色散锁模产生的孤子所具有的典型的陡峭的光谱边缘，孤子脉冲宽度测量结果为0.4ns。
使用示波器测量获得的孤子分子的时间序列信号如图3，横坐标为时间（Time[500ns/div]），纵坐标为光脉冲强度(Intensity[5mV/div])。孤子分子的重复频率由激光器腔长决定，为640kHz。孤子分子中的各孤子的脉冲峰值功率差异是由于测量系统带宽不匹配导致的。
步骤3，调节第一偏振控制器5，对孤子间距进行调节。
产生的孤子分子的孤子间距初始值为7ns，通过第一偏振控制器5，可以调整孤子分子中的孤子间距，调节范围为±2ns。
步骤4，选定孤子间距后，在一定的功率区间内调节泵浦源1功率，对孤子个数的调节。
当泵浦功率在200mW到700mW之间变化时，孤子个数可在1个到15个之间变化。
孤子分子的局部放大图如图4，横坐标为时间（Time[25ns/div]），纵坐标为光脉冲强度(Intensity[20mV/div])。孤子分子的孤子个数为11个，对应的泵浦功率是550mW。
孤子分子的局部放大图如图5，横坐标为时间（Time[25ns/div]），纵坐标为光脉冲强度(Intensity[20mV/div])。孤子分子的孤子个数为7个，对应的泵浦功率是420mW。
当泵浦功率小于200mW时，锁模状态丢失，需要重新设置泵浦功率至300mW进行调节；当泵浦功率高于700mW时，锁模状态丢失，激光器处于连续波工作模式。
在光纤激光器中，本发明实现的孤子间距和孤子个数可控的孤子分子光脉冲输出，尚属首次，为孤子分子应用提供了基础。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器，其特征在于：包括泵浦源、波分复用耦合器、掺镱增益光纤、输出耦合器、第一偏振控制器、单模光纤、起偏器、隔离器和第二偏振控制器；泵浦源的输出端连接波分复用耦合器的输入端，波分复用耦合器、掺镱增益光纤、输出耦合器、第一偏振控制器、单模光纤、起偏器、隔离器和第二偏振控制器依次连接形成光纤环形腔；其中，单模光纤为单模被动光纤，单模光纤长度大于250m，光纤环形腔中连接用的光纤为单模被动光纤，泵浦源采用半导体激光器，波长为974nm~980nm；
通过选择单模光纤长度，使得腔内等效双折射滤波的带宽小于2nm，从而使得孤子分子中的孤子间距量级为ns；调节第一偏振控制器和第二偏振控制器，实现多锁模脉冲，产生孤子分子；调节第一偏振控制器，对孤子间距进行调节；在200mW 到700mW 之间的功率区间内调节泵浦源功率，对孤子个数进行调节。
2.根据权利要求1所述的孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器，其特征在于：第一偏振控制器和第二偏振控制器采用三环式偏振控制器或挤压式偏振控制器。
3.根据权利要求1所述的孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器，其特征在于：起偏器为带有光纤尾纤的起偏器。
4.根据权利要求1所述的孤子间距和孤子个数可控的孤子分子激光器，其特征在于：隔离器为带有光纤尾纤的偏振无关隔离器。
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