CN111244739A - 一种标量孤子雨激光器及标量孤子雨产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器及标量孤子雨产生方法。本发明属于激光与物质相互作用领域，尤其涉及一种基于掺铒光纤激光器和微光纤结型谐振器的标量孤子雨装置。所述激光器包括泵浦源，波分复用器，掺铒光纤，偏振控制器，光纤耦合器，若干单模光纤，非线性光纤，微光纤结型谐振器，偏振无关隔离器，偏振分束器；所述方法步骤为通过调节泵浦源，偏振控制器，实现方波类噪声以及标量孤子雨，通过偏振控制器联合偏振分束器将标量孤子雨分离。本发明全光纤化、结构紧凑、调节自由度大，可广泛应用于激光传感、环境检测等领域。

Description

一种标量孤子雨激光器及标量孤子雨产生方法
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器及标量孤子雨产生方法。
背景技术
脉宽较长的脉冲往往需要较长的腔长。由于单模光纤具有较强的光场约束效应，激光谐振器腔较长情况下会累积比较大的非线性，通常就会导致产生多个脉冲。在某些情况下，峰值功率钳制效应占主导地位时，即脉冲振幅固定在恒定值时，脉冲可以保持无分裂状态，脉冲能量可以随着泵浦功率的增加而增大，可产生所谓的耗散孤子共振。然而，并不是所有的方波或矩形脉冲都属于耗散孤子共振脉冲。其中一些实际上是一种类似噪声的脉冲，虽然其在示波器上仍显示正方形轮廓，但自相关测量表明，它实际上是有一系列超短脉冲组成[1]。孤子雨是指在一个脉冲之中，很多数量的单孤子自发的分裂出来，以几乎恒定的相对速度漂移，直到再次合并。Souad Chouli和Philippe Grelu首次在实验中发现了孤子雨现象[2]。对于矢量孤子雨的研究已有报道[3]，但对于只出现在一个偏振方向的孤子雨，即完全标量的孤子雨的形成还未见诸文献。
[1]Hao Liu,“Generation of multiwavelength noise-like square-pulses ina fiber laser,”IEEE Photon.Technol.Lett.26(19),1990-1993(2014)；
[2]Souad Chouli and Philippe Grelu,"Rains of solitons in a fiberlaser",Opt.Express17(14),11776-11781(2009)；
[3]Dingyuan Tang,"Vector multi-soliton operation and interaction in agraphene mode-locked fiber laser,"Opt.Express 21,10010-10018(2013)。
发明内容
发明目的：为了解决目前尚未有产生标量孤子雨的问题，本发明提出一种标量孤子雨激光器及标量孤子雨产生方法，实现标量孤子雨光脉冲输出。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器，包括泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、第一偏振控制器、第一光纤耦合器、单模光纤、非线性光纤、微光纤结型谐振器、偏振无关隔离器、第二偏振控制器、第二光纤耦合器、第三偏振控制器和偏振分束器；
所述波分复用器、掺铒光纤、第一偏振控制器、第一光纤耦合器和非线性光纤通过单模光纤依次连接成双向环路；连接于第一光纤耦合器和非线性光纤之间的单模光纤采用若干长度的标准单模光纤，用于增加腔长并累积腔内的非线性；第一光纤耦合器、微光纤结型谐振器、偏振无关隔离器、第二偏振控制器和第二光纤耦合器通过单模光纤依次连接成单向环路；第二光纤耦合器的输出端通过单模光纤依次连接第三偏振控制器、偏振分束器；所述双向环路和单向环路构成8字形腔；所述泵浦源通过波分复用器的泵浦光输入端口将泵浦光注入8字形腔。
其中，泵浦源与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的公共端与掺铒光纤连接，波分复用器的信号端与非线性光纤连接；掺铒光纤另一端与第一偏振控制器连接；第一光纤耦合器包含四个端口，第一光纤耦合器采用50:50光纤耦合器，包括四个端口，其中两端分别与第一偏振控制器以及非线性光纤连接，第一光纤耦合器的另两端分别与微光纤结型谐振器以及第二光纤耦合器的p％输出端连接；第二光纤耦合器采用p:q光纤耦合器，第二光纤耦合器的输入端与第二偏振控制器输出端连接，第二光纤耦合器的q％输出端通过单模光纤依次连接第三偏振控制器、偏振分束器。
所述第二光纤耦合器的q％输出端产生方波类噪声以及向方波前端移动的孤子雨，第三偏振控制器联合偏振分束器产生矢量类噪声方波以及标量孤子雨激光脉冲输出。
基于上述激光器本发明还提供了一种标量孤子雨产生方法，具体步骤如下：
泵浦源通过波分复用器的泵浦光输入端口将泵浦光注入8字形腔，增大泵浦功率，并结合调节第一偏振控制器以及第二偏振控制器，在第二光纤耦合器的输出端产生方波类噪声以及向方波前端移动的孤子雨；通过腔外第三偏振控制器调节腔内输出的类噪声方波与孤子雨两正交成分之间的相位；经过第三偏振控制器后类噪声方波与孤子雨通过偏振分束器，输出的两个正交成分分别在偏振分束器的横轴和纵轴上投影；类噪声方波脉冲同时出现在横轴与纵轴的投影上且强度相等；孤子雨只出现于某一个正交的偏振方向，即标量孤子雨；监控偏振分束器输出端的脉冲状态，直至输出稳定的类噪声方波脉冲及孤子雨状态。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：本发明的激光器采取了全光纤的“8”字腔结构，引入了具有偏振相关损耗的微光纤结型谐振器。此外，激光器具有处于反常色散区域，具有非线性相关的峰值功率钳位效应和孤子分裂效应。在光纤激光器中，通过在反常色散区域引入较强的非线性效应，有利于实现方波脉冲及多孤子输出。通过引入微光纤结形谐振器，在其偏振相关、干涉、非线性等效应的协同作用下，可实现标量孤子雨光脉冲输出。
附图说明
图1是本发明结构组成示意图；
图2是标量孤子雨的时域脉冲图；
图3是标量孤子雨的光谱图；
图4是标量孤子雨的强度自相关曲线；
其中，1-泵浦源；2-波分复用器；2a、2b、2c分别为波分复用器的泵浦端、公共端和信号端；3-掺铒光纤；4-第一偏振控制器；5-第一光纤耦合器；5a、5b、5c、5d分别为第一光纤耦合器的四个端口；6-单模光纤；7-非线性光纤；8-微光纤结型谐振器；9-偏振无关隔离器；9a、9b分别为偏振无关隔离器的输入端、输出端；10-第二偏振控制器；11-第二光纤耦合器；11a、11b、11c分别为第二光纤耦合器的输入端、80％输出端、20％输出端；12-第三偏振控制器；13-偏振分束器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器，包括泵浦源1、波分复用器2、掺铒光纤3、第一偏振控制器4、第一光纤耦合器5、单模光纤6、非线性光纤7、微光纤结型谐振器8、偏振无关隔离器9、第二偏振控制器10、第二光纤耦合器11、第三偏振控制器12和偏振分束器13；
所述波分复用器2、掺铒光纤3、第一偏振控制器4、第一光纤耦合器5和非线性光纤7通过单模光纤6依次连接成双向环路；连接于第一光纤耦合器5和非线性光纤7之间的单模光纤6采用若干长度的标准单模光纤，用于增加腔长并累积腔内的非线性；第一光纤耦合器5、微光纤结型谐振器8、偏振无关隔离器9、第二偏振控制器10和第二光纤耦合器11通过单模光纤6依次连接成单向环路；第二光纤耦合器11的输出端通过单模光纤6依次连接第三偏振控制器12、偏振分束器13；所述双向环路和单向环路构成8字形腔；所述泵浦源1通过波分复用器2的泵浦光输入端口将泵浦光注入8字形腔。
其中，泵浦源1与波分复用器2的泵浦端2a连接，波分复用器2的公共端2b与掺铒光纤3连接，波分复用器2的信号端2c与非线性光纤7连接；掺铒光纤3另一端与第一偏振控制器4连接；第一光纤耦合器5采用50:50光纤耦合器，包括四个端口，其端口5a、5b分别与第一偏振控制器4和非线性光纤7连接；另两个端口5c、5d分别与微光纤结型谐振器8以及第二光纤耦合器11的80％输出端11b连接；第二光纤耦合器11的输入端11a与第二偏振控制器10输出端连接，第二光纤耦合器11的20％输出端11c通过单模光纤6依次连接第三偏振控制器12、偏振分束器13。
所述第二光纤耦合器11的20％输出端11c产生方波类噪声以及向方波前端移动的孤子雨，第三偏振控制器12联合偏振分束器13产生矢量类噪声方波以及标量孤子雨激光脉冲输出。
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980nm，最大输出功率1W。本实施例中采用反向泵浦结构，图1中标记A为泵浦光输入，标记B为标量孤子雨的激光输出。波分复用器2的工作波长是980/1550nm。掺铒光纤3采用0.8m长的掺铒光纤作为激光增益介质，型号为EDF80，可选用OFS公司产品。第一偏振控制器4和第二偏振控制器10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，通过调节第一偏振控制器4和第二偏振控制器10来改变光纤谐振腔的双折射。第一光纤耦合器5采用50:50光纤耦合器，输入以及输出的分光比皆为50:50；所述第一光纤耦合器5是对称的，分光比前后一致，不区分输出及输入端，双向环路中光由端口5a、5b双向传输，单向环路中光由端口5c传向5d。连接于非线性光纤7和第一光纤耦合器5的单模光纤6采用3021米长的标准单模光纤，可选用康宁公司型号为SMF-28e的单模光纤，用于增加腔长并累积腔内的非线性。非线性光纤7采用35米长的非线性光纤，型号为NL-1550-POS，可购自YOFC公司，增加腔内非线性。
本实施例中，微光纤结型谐振器8所用的拉锥光纤是使用Idealphotonics公司的IPCS-5000拉锥机，通过熔融拉锥法，设置拉锥长度54.5毫米，氢气流量150，火焰扫描范围3.5毫米，制成的微米级微光纤，其锥区直径为1.57μm。通过手动绕制打结，制作成微光纤结型谐振器，其具体参数为：环直径216.23μm，自由光谱区0.61nm，Q值13000，精细度5.08，偏振相关损耗10dB。第二光纤耦合器11采用80:20光纤耦合器。第三偏振控制器12采用挤压式偏振控制器，型号为FPC-100，可购自OZ Optics公司。通过调节第三偏振控制器12来改变腔外输出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13为光纤耦合型偏振分束器，购自OPNETI公司，中心波长1550nm，消光比为26dB和29dB。偏振分束器13的两个输出端口所用的光纤为保偏光纤，因此获得的标量孤子雨输出能保持其偏振态。
基于上述激光器本发明还提供了一种标量孤子雨产生方法，具体步骤如下：
泵浦源1通过波分复用器2的泵浦光输入端口将泵浦光注入8字形腔，增大泵浦功率超过160mW，并结合调节第一偏振控制器4以及第二偏振控制器10，在第二光纤耦合器11的输出端产生方波类噪声以及向方波前端移动的孤子雨；通过腔外第三偏振控制器12调节腔内输出的类噪声方波与孤子雨两正交成分之间的相位，使相位差为2π的整数倍；经过第三偏振控制器12后类噪声方波与孤子雨通过偏振分束器13，输出的两个正交成分分别在偏振分束器13的横轴和纵轴上投影；类噪声方波脉冲同时出现在横轴与纵轴的投影上且强度相等；孤子雨只出现于某一个正交的偏振方向，即标量孤子雨；监控偏振分束器13输出端B的脉冲状态，直至输出稳定的类噪声方波脉冲及孤子雨状态。
随着泵浦功率的升高，类噪声方波脉冲的脉宽不变，孤子雨的宽度逐渐增加。泵浦功率升高至345.8mW，标量孤子雨的示波器时域图如图2所示，横坐标为时间，纵坐标为光脉冲强度。类噪声方波脉冲存在于偏振分束器13的两个投影方向上，且具有相同的脉冲持续时间～190ns，而孤子雨只存在于纵轴投影方向。
标量孤子雨的光谱如图3所示，横坐标为波长，纵坐标为光谱强度。两轴光谱均受到了微光纤结型谐振器8的调制，光谱调制的间隔与其自由光谱区吻合。孤子雨存在的纵轴投影方向在中心波长1553.6nm处出现3dB带宽为0.36的准直流分量。
使用FEMTOCHROME公司的FR-103(HS)强度自相关仪测量获得孤子雨两个投影方向的强度自相关信号如图4所示，横坐标为时间，纵坐标为光脉冲强度。纵轴上在一个较宽且强度较低的基底上出现一个单脉冲，其半高宽为13.6ps。说明纵轴上具有相似参数的多个孤子，即为孤子雨的自相关图像。横轴自相关图像为典型的类噪声脉冲。
本发明通过在腔外设置第三偏振控制器12有效调节腔内输出的类噪声方波与孤子雨两正交成分之间的相位，当相位差为2π的整数倍时，第三偏振控制器12后类噪声方波与孤子雨通过偏振分束器13，转变为两个正交偏振方向上等强度的类噪声方波脉冲，其脉冲宽度为190ns，以及只出现在纵轴的标量孤子雨。脉冲的重复频率为66.4kHz，中心波长为1553.6nm。在光纤激光器中，本发明实现的标量孤子雨光脉冲输出，尚属首次。
以上所述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 (9)

1.一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器，其特征在于：所述激光器包括泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、第一偏振控制器、第一光纤耦合器、单模光纤、非线性光纤、微光纤结型谐振器、偏振无关隔离器、第二偏振控制器、第二光纤耦合器、第三偏振控制器和偏振分束器；
所述波分复用器、掺铒光纤、第一偏振控制器、第一光纤耦合器和非线性光纤通过单模光纤依次连接成双向环路；连接于第一光纤耦合器和非线性光纤之间的单模光纤采用若干长度的标准单模光纤，用于增加腔长并累积腔内的非线性；第一光纤耦合器、微光纤结型谐振器、偏振无关隔离器、第二偏振控制器和第二光纤耦合器通过单模光纤依次连接成单向环路；第二光纤耦合器的输出端通过单模光纤依次连接第三偏振控制器、偏振分束器；所述双向环路和单向环路构成8字形腔；所述泵浦源通过波分复用器的泵浦光输入端口将泵浦光注入8字形腔；
其中，泵浦源与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的公共端与掺铒光纤连接，波分复用器的信号端与非线性光纤连接；掺铒光纤另一端与第一偏振控制器连接；第一光纤耦合器采用50:50光纤耦合器，包括四个端口，其中两端分别与第一偏振控制器以及非线性光纤连接，另两端分别与微光纤结型谐振器以及第二光纤耦合器的p％输出端连接；第二光纤耦合器采用p:q光纤耦合器，第二光纤耦合器的输入端与第二偏振控制器输出端连接，第二光纤耦合器的q％输出端通过单模光纤依次连接第三偏振控制器、偏振分束器。
2.根据权利要求1所述的一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器，其特征在于：泵浦源采用单模光纤耦合的半导体激光器，波长为980nm，最大输出功率1W；采用反向泵浦结构，波分复用器的工作波长是980/1550nm；偏振分束器为光纤耦合型偏振分束器，中心波长1550nm，消光比为26dB和29dB。
3.根据权利要求1所述的一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器，其特征在于：掺铒光纤作为激光增益介质，型号为EDF80。
4.根据权利要求1所述的一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器，其特征在于：第一偏振控制器和第二偏振控制器采用三片线圈旋转式的偏振控制器，型号为FPC560，或者采用挤压式偏振控制器；第三偏振控制器采用挤压式偏振控制器，型号为FPC-100。
5.根据权利要求1所述的一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器，其特征在于：连接于非线性光纤和第一光纤耦合器的单模光纤选用型号为SMF-28e的单模光纤；非线性光纤型号为NL-1550-POS。
6.根据权利要求1所述的一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器，其特征在于：微光纤结型谐振器所采用的拉锥光纤是微米级微光纤，通过手动绕制打结制作成微光纤结型谐振器；该微光纤结型谐振器具有10dB的偏振相关损耗。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器，其特征在于：第二光纤耦合器采用80:20光纤耦合器。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种使用微光纤结型谐振器的标量孤子雨激光器，其特征在于：偏振分束器的两个输出端口所用的光纤为保偏光纤。
9.一种采用权利要求1所述激光器的标量孤子雨产生方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：泵浦源通过波分复用器的泵浦光输入端口将泵浦光注入8字形腔，增大泵浦功率，并结合调节第一偏振控制器以及第二偏振控制器，在第二光纤耦合器的输出端产生方波类噪声以及向方波前端移动的孤子雨；通过腔外第三偏振控制器调节腔内输出的类噪声方波与孤子雨两正交成分之间的相位；经过第三偏振控制器后类噪声方波与孤子雨通过偏振分束器，输出的两个正交成分分别在偏振分束器的横轴和纵轴上投影；类噪声方波脉冲同时出现在横轴与纵轴的投影上且强度相等；孤子雨只出现于某一个正交的偏振方向，即标量孤子雨；监控偏振分束器输出端的脉冲状态，直至输出稳定的类噪声方波脉冲及孤子雨状态。
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