CN111446616A - 一种基于msm结构的耗散孤子锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于MSM结构的耗散孤子锁模光纤激光器，包括：包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、输出耦合器、色散补偿光纤、偏振控制器、两个多模单模多模结构；所述泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、输出耦合器、色散补偿光纤、偏振控制器、两个多模单模多模结构依次连接形成环形谐振腔。本发明通过调整偏振控制器调节腔内传输光的偏振态，实现了稳定耗散孤子锁模脉冲的输出。

Description

一种基于MSM结构的耗散孤子锁模光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤技术技术领域，尤其涉及一种基于MSM结构的耗散孤子锁模光纤激光器。

背景技术

耗散孤子作为一种光纤激光器常见的输出脉冲种类，其形成处于正色散谐振腔内的耗散系统中，于是被称为耗散孤子。这种孤子由于其形成于耗散系统中，因此其具有很高的非线性容忍能力，当脉冲能量较高时，脉冲不会分裂而降低激光器的稳定性。相比在负色散形成的传统孤子不可承受过高的非线性、在脉冲能量较高时，脉冲形成分裂造成能量分散、无法获得高能量脉冲的缺陷相比，具有极大的优势。所以耗散孤子由于其高能量特性在工业领域具有广泛应用。

由于耗散孤子广泛的应用前景，引起了科研人员的关注，于是产生耗散孤子的方法越来越丰富，常用的获得耗散孤子的方法有两类，一种基于真实可饱和吸收体，常见的真实可饱和吸收体有石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物等二维材料；另一种为类饱和吸收体，常用的方式有非线性偏振旋转、非线性放大光纤环形镜，这种类饱和吸收体常备应用于实际应用中。由于真实可饱和吸收体具有较小的损伤阈值和抗氧化的特点，所以产生的脉冲具有不稳定性，而这种类饱和吸收体由光纤组成，所以损伤阈值较高且不存在氧化问题，所述产生的脉冲具有稳定性。然而这种类饱和吸收体仍存在劣势，即：由于这种获得脉冲的方式依赖光纤非线性，所以对外界环境的抗干扰能力较差。于是有开发出了一种新锁模方式，该锁模方式需要具有高损伤阈值与抗氧化能力、且对外部环境不敏感，具有较强的抗干扰能力。这种新的锁模方式具有很重要意义。

然而，这种新锁模结构由单模多模单模光纤(SMS)组成，这种锁模方式在负色散谐振腔内具有优异的锁模效果，但是放入正色散腔内，会出现不稳定锁模脉冲包络问题。即：正色散光纤激光器中产生的脉冲为耗散孤子，耗散孤子形成需要腔内非线性、色散、增益、损耗四者达到平衡获得。所以在孤子形成过程中，腔内能量处于实时变化中。另一方面，模式干涉效应产生自成像位置与腔内的功率相关，因此孤子形成过程中，多模光纤输出端耦合进单模光纤的耦合效率会发生变化，导致产生孤子的输出峰值不一致。换句话说，多模光纤的存在会对产生的脉冲进行进一步的调制，因此输出脉冲包络现象。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，基于已有的SMS结构锁模方式，出现在正色散谐振腔内出现不稳定锁模脉冲包络问题，引入另一个SMS结构，利用其低通滤波效果，对腔内损耗进行调制，抑制不稳定锁模脉冲包络问题。

一种基于MSM结构的耗散孤子锁模光纤激光器，包括：包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、输出耦合器、色散补偿光纤、偏振控制器、两个串联的多模单模多模结构；

所述泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、输出耦合器、色散补偿光纤、偏振控制器、两个串联的多模单模多模结构依次连接形成形成环形谐振腔。

进一步地，如上所述的基于MSM结构的耗散孤子锁模光纤激光器，所述多模单模多模结构由单模光纤与渐变折射率多模光纤间隔熔接在一起组成。

进一步地，如上所述的基于MSM结构的耗散孤子锁模光纤激光器，所述两个多模单模多模结构满足的条件是：

光沿顺时针传输，当光经过第一缠绕进偏振控制器的多模光纤时，此时激发的各阶模式之间相位差应满足mπ，m为奇整数；产生的脉冲经过第二个单模多模单模结构此时多模光纤内各高阶模式之间相位差满足nπ，n为偶整数。

有益效果：

本发明提供的基于多模单模多模结构的锁模光纤激光器用于稳定耗散孤子锁模脉冲输出，本结构具有全光纤结构、高损伤阈值、简化锁模结构、结构紧凑、强鲁棒性。这种结构的锁模光纤激光器增强了实用性，用途更加广泛。本发明通过调整偏振控制器调节腔内传输光的偏振态，实现了稳定耗散孤子锁模脉冲的输出。

本发明利用多模单模多模结构的反饱和吸收效应，在激光器内提供光限幅机制，利用光限幅机制对激光器进行谐振腔的损耗反馈，从而达到稳定脉冲作用，实现稳定脉冲输出。由于多模单模多模结构具有反饱和吸收特性，这种特性具有高能量脉冲被损耗，低能量脉冲无损通过的效果。利用这种特性实现稳定激光器作用。由于输出脉冲被进一步调制导致峰值功率不一致，通过这种反饱和特性对脉冲峰值进行均一化处理，实现稳定脉冲输出。

由于本发明提供的激光器的锁模器件为光纤器件，且光纤材料具有很高的损伤阈值，因此在激光器未损坏情况下，仍具有锁模能力，因此具有高损伤阈值。

此外，本发明提供的激光器锁模器件为一段几十厘米的多模光纤，且多模光纤缠绕进偏振控制器中，在外界环境干扰下，多模光纤部分不会受到很大影响，具有很强的稳定性，因此具有强鲁棒性。

附图说明

图1为多模单模多模结构(MSM)原理图；其中，SMF为单模光纤；GIMF为渐变折射率多模光纤；

图2位为基于多模单模多模结构锁模光纤激光器结构示意图；

附图标记：

1-泵浦源；2-波分复用器；3-增益光纤；4偏振无关隔离器；5-输出耦合器；6-色散补偿光纤；7-偏振控制器；8-多模单模多模结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的多模单模多模结构，由单模与渐变折射率多模光纤组成，在两根渐变折射率多模光纤两端熔接单模光纤并熔接一起，并将熔接好的结构中两个多模光纤部分缠绕进两个偏振控制器中，以上组成多模单模多模结构。

如图2所示，基于多模单模多模结构锁模光纤激光器结构示意图，包括泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、偏振无关隔离器4、输出耦合器5、色散补偿光纤6、偏振控制器7、多模单模多模结构8。

所述泵浦源1与波分复用器2连接；所述波分复用器2与增益光纤连接3；所述增益光纤3与偏振无关隔离器4连接；所述偏振无关隔离器4与输出耦合器5连接；所述输出耦合器5与色散补偿光纤6连接；所述色散补偿光纤6与单模光纤连接，单模光纤盘绕进偏振控制器7中；所说单模光纤与多模单模多模结构8连接。以上所述连接均使用光纤熔接机熔接相连，且器件与器件之间由单模光纤连接，形成环形谐振腔。

所述泵浦源1为光纤激光器提供用于激发激光的基础光源；所述波分复用器2用于将两个波长的光整合到一根光纤中，即将泵浦源1和激发的激光整合进同一根光纤；所述增益光纤3的作用是经由泵浦源1发出的光激发增益光纤3中的物质使增益光纤3中产生激光；所述偏振无关隔离4器用于使谐振腔内光单向传输，所述输出耦合器5用于将一束光分流，一部分输出进行观测一部分光返回腔内进行继续振荡反馈例如将一束能量为1的光按1:9比例分成两束能量分别为0.1与0.9的光；所述色散补偿光纤6将腔内负色散进行补偿使得谐振腔的净色散为正，正色散是形成耗散孤子的必要条件。所述偏振控制器7用于调整腔内传输光偏振特性，以获得更好的光束质量。所述多模单模多模结构8用于锁模与谐振腔内损耗反馈，对输出脉冲进行调制。

其中，所述泵浦源为光纤激光器提供用于激发激光的基础光源；

所述波分复用器用于将两个波长的光整合到一根光纤中，即将泵浦光源和激发的激光整合进同一根光纤；

所述增益光纤的作用是经由泵浦源发出的光激发增益光纤中的物质使增益光纤中产生激光；

所述偏振无关隔离器用于使环形腔内传输光进行单方向传输

所述输出耦合器用于将一束光分流，一部分光输出进行观测，一部分光返回腔内进行继续振荡反馈；

所述色散补偿光纤用于将腔内色散调整成正色散；

所述偏振控制器用于改变腔内传输光偏振态；

所述多模单模多模结构用于实现锁模脉冲输出与调节腔内损耗，抑制不稳定锁模脉冲包络出现。

参见图1，图1为多模单模多模光纤结构原理图，单个多模光纤可以被当做可饱和吸收体用于锁模脉冲输出，在这个单模多模单模结构中另外引入一个单模多模单模结构用于进行腔内损耗反馈，抑制单根多模光纤形成耗散孤子锁模形成的脉冲包络现象。图中SMF为单模光纤，GIMF为渐变折射率多模光纤。

当基横模光经过单模光纤耦合进多模光纤中，基横模光会在多模光纤中激发出高阶横模，这些高阶横模光在多模光纤中传输，由于色散与非线性原因，基模与高阶横模会积累不同程度的非线性相移，当高阶横模光与基横模积累的非线性相移差为π的奇整数倍时，此时单模多模单模光纤之间透过率呈现非线性关系，这就导致单模多模单模结构具有可饱和吸收特性，可以用于实现锁模，并且形成可饱和吸收特性仍有一个苛刻条件，即只有在多模光纤输出端恰好满足π的奇整数倍时，这种效果才可以被利用，所以我们将多模缠绕进偏振控制器中，借用偏振控制器改变多模光纤中传输光的非线性相移差，使其恰好在多模输出端满足条件。于是此时一根多模光纤被用于形成锁模脉冲。

但是当谐振腔利用色散补偿光纤使腔内色散调整成正色散时，此时激光器不能形成稳定的锁模脉冲，此时形成不稳定锁模脉冲包络现象，这对于实际应用是相当不利的。经过分析发现，当谐振腔只含有一个多模光纤时，激光器形成耗散孤子锁模，但是当形成耗散孤子锁模的同时，由于非线性效益腔内的损耗降低，这样使得形成的耗散孤子又被进一步调制成锁模脉冲包络。于是我们引入另一个多模光纤进行激光器谐振腔内损耗调制，抑制锁模脉冲包络现象发生。第二根多模光纤的作用不同于上述多模光纤进行锁模脉冲输出，此时第二根多模光纤被用于边带滤波器使用。研究发现，当多模光纤中传输光的高阶横模相位与基横模相位满足π/2、3π/2时，单模多模单模结构可以分别用于低通滤波器与高通滤波器使用。低通滤波可以实现高能量光被损耗，低能量光透过，高通滤波器与之相反。由于相位差条件的制约，同一根多模光纤不能同时满足两种条件，所以我们做成多模单模多模结构，将两根多模光纤分别进行对应功能，使其自由调控互不干扰。

具体地：光沿顺时针传输，当光经过第一缠绕进偏振控制器的多模光纤时，此时激发的各阶模式之间相位差应满足mπ(m为奇整数)。此时单模多模单模结构具有可饱和吸收效应可以作为锁模器件使用，进过此结构可获得锁模脉冲输出。产生的脉冲经过第二个单模多模单模结构此时多模光纤内各高阶模式之间相位差满足nπ(n为偶整数)，此时单模多模单模结构具有反饱和吸收效应，可以实现脉冲调制获得稳定脉冲输出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于MSM结构的耗散孤子锁模光纤激光器，其特征在于，包括：包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、偏振无关隔离器(4)、输出耦合器(5)、色散补偿光纤(6)、偏振控制器(7)、两个串联的多模单模多模结构(8)；

所述泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、偏振无关隔离器(4)、输出耦合器(5)、色散补偿光纤(6)、偏振控制器(7)、两个串联的多模单模多模结构(8)依次连接形成形成环形谐振腔。

2.根据权利要求1所述的基于MSM结构的耗散孤子锁模光纤激光器，其特征在于，所述多模单模多模结构(8)由单模光纤与渐变折射率多模光纤间隔熔接在一起组成。

3.根据权利要求1所述的基于MSM结构的耗散孤子锁模光纤激光器，其特征在于，所述两个多模单模多模结构(8)满足的条件是：

光沿顺时针传输，当光经过第一缠绕进偏振控制器的多模光纤时，此时激发的各阶模式之间相位差应满足mπ，m为奇整数；产生的脉冲经过第二个单模多模单模结构此时多模光纤内各高阶模式之间相位差满足nπ，n为偶整数。

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