周 勇，劉韶清

（合肥工業(yè)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

近年來(lái)，由色散和非線性效應(yīng)平衡形成的光學(xué)孤子，基于其重要的形成機(jī)理和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景而得到了大量關(guān)注[1-2]。被動(dòng)鎖模激光器作為典型的輸出光學(xué)孤子非線性系統(tǒng)，成為了研究孤子演變的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)腔內(nèi)非線性效應(yīng)、色散、增益及損耗間的相互作用，大量復(fù)雜的孤子演變過(guò)程被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，包括束縛態(tài)孤子[3]、孤子雨[4]、孤子爆炸[5]、呼吸孤子[6]、類噪聲脈沖[7]以及Rouge波[8]等。由于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的限制，傳統(tǒng)基于衍射光柵的光譜儀探測(cè)速度不足以實(shí)現(xiàn)對(duì)孤子快速變化光譜的實(shí)時(shí)測(cè)量。所以，替代傳統(tǒng)光譜儀的時(shí)間拉伸色散傅里葉變換技術(shù)（Time Stretched Dispersive Fourier Transform,TS-DFT）被提出[9-11]，該技術(shù)利用大群速度色散元件將光脈沖展寬，然后，各光譜分量映射到脈沖時(shí)域波形，再應(yīng)用高速光電探測(cè)器和實(shí)時(shí)示波器記錄展寬后的光脈沖，從而換算得到單個(gè)孤子的光譜測(cè)量。由于孤子脈沖被大色散介質(zhì)拉伸后的色散傳輸與一維傍軸夫瑯禾費(fèi)衍射的方程近似，其形式等效于脈沖復(fù)振幅的傅里葉變換，因此稱之為時(shí)間拉伸色散傅里葉變換技術(shù)。

在本文中，本課題組基于時(shí)間拉伸色散傅里葉變換技術(shù)在兩個(gè)摻鉺光纖激光器中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了傳統(tǒng)和束縛態(tài)光學(xué)孤子的建立過(guò)程。通過(guò)經(jīng)典的非線性偏振旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了脈寬為312 fs的穩(wěn)定自啟動(dòng)孤子被動(dòng)鎖模，實(shí)驗(yàn)記錄了傳統(tǒng)孤子的形成過(guò)程：首先激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量隨機(jī)脈沖；隨后幅度較小的脈沖被壓制，主脈沖在逐步放大增強(qiáng)的過(guò)程中被逐步壓窄形成光學(xué)孤子；最后孤子經(jīng)歷快速的自頻移后形成穩(wěn)定的孤子運(yùn)轉(zhuǎn)。束縛態(tài)孤子則由單孤子運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的自相位調(diào)制非線性積累，孤子劈裂形成兩只孤子且在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中相互作用，孤子間的延遲變化表現(xiàn)為光譜上的干涉調(diào)制變化。

1 傳統(tǒng)孤子實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與結(jié)果

傳統(tǒng)孤子光纖激光器及時(shí)間拉伸色散傅里葉變換測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，1 480 nm泵浦源經(jīng)由波分復(fù)用器耦合進(jìn)入1.5 m長(zhǎng)的摻鉺光纖（LIEKKI Er-80，β2=-20.6 ps2/km）為激光器提供增益，偏振控制器用于調(diào)節(jié)腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)激光偏振態(tài)，3.9 m長(zhǎng)的單模光纖（β2=-23ps2/km）用于控制腔長(zhǎng)和腔內(nèi)總色散，偏振相關(guān)隔離器用于保證腔內(nèi)激光的單向運(yùn)轉(zhuǎn)以及基于偏振相關(guān)損耗實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖壓窄，5∶5輸出耦合器用于輸出被動(dòng)鎖模脈沖。鎖模脈沖經(jīng)腔外1∶9耦合器2分為兩束：10%端經(jīng)5 km長(zhǎng)的色散補(bǔ)償光纖（YOFC,G652.C DM1010-D，β2=172 ps2/km，D=(-100～170)ps/(nm·km)）展寬后進(jìn)入帶寬為20 GHz的光電探測(cè)器1，由示波器測(cè)量展寬后的脈沖；90%端則輸入帶寬為3 GHz的光電探測(cè)器2用于實(shí)現(xiàn)示波器的觸發(fā)。選取小端口進(jìn)入色散補(bǔ)償光纖主要是為避免光纖中的非線性效應(yīng)對(duì)色散拉伸的影響，圖中所有光纖器件尾纖均為標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖。

圖1 傳統(tǒng)孤子光纖激光器及時(shí)間拉伸色散傅里葉變換測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖。

實(shí)驗(yàn)中光譜采用橫河品牌AQ6375光譜儀測(cè)量，最佳光譜分辨率為0.05 nm；脈沖時(shí)序采用Keysight品牌DSOX6002A 示波器測(cè)量，最大采樣率為20 GSa/s；自相關(guān)曲線使用APE 品牌SM600 自相關(guān)儀測(cè)量；電脈沖頻譜采用Keysight品牌N9000B頻譜儀測(cè)量。

當(dāng)泵浦功率調(diào)節(jié)在105 mW時(shí)，傳統(tǒng)孤子脈沖可以在合適的偏振態(tài)下實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，其輸出平均光譜如圖2（a）所示，中心波長(zhǎng)為1 576.2 nm，3 dB譜寬為8.75 nm。自相關(guān)曲線如圖2（b）所示，其半高全寬為480 fs，對(duì)應(yīng)的sech2擬合下光脈沖寬度為312 fs，時(shí)間帶寬積計(jì)算為0.330，略大于傅里葉變換極限0.315，較小的時(shí)間帶寬積有力證明了激光器的孤子鎖模狀態(tài)。PD測(cè)量的鎖模電脈沖序列和頻譜（分辨率帶寬100 Hz）如圖2（c～d）所示（插圖為電脈沖諧波頻譜），脈沖周期為26.85 ns，重復(fù)頻率為37.27 MHz，對(duì)應(yīng)腔長(zhǎng)為5.37 m。電脈沖頻譜的信噪比大于85 dB，說(shuō)明了鎖模極好的穩(wěn)定性，插圖上的電脈沖諧波頻譜也展示了較高的平坦性，側(cè)面說(shuō)明了電脈沖的窄脈寬。

圖2 激光器輸出傳統(tǒng)光學(xué)孤子的（a）光譜、（b）自相關(guān)曲線、（c）脈沖序列以及（d）脈沖頻譜

圖3（a）所示為TS-DFT技術(shù)測(cè)量的傳統(tǒng)光學(xué)孤子的建立過(guò)程，其中有4個(gè)不同區(qū)域。首先，腔內(nèi)產(chǎn)生波長(zhǎng)不確定的隨機(jī)脈沖（roundtrip 1～600），由于TS-DFT技術(shù)原理只針對(duì)寬帶超短脈沖成立，所以這段時(shí)間的脈沖只代表激光器輸出的時(shí)序強(qiáng)度變化。其次，小脈沖由于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)被PD-ISO吸收，主脈沖生存下來(lái)被逐漸增強(qiáng)并壓窄形成孤子，表現(xiàn)為光譜展寬，中心波長(zhǎng)為1 570 nm（roundtrip 600～900），預(yù)示著鎖模狀態(tài)已經(jīng)開(kāi)始自啟動(dòng)。再次，形成的孤子開(kāi)始往長(zhǎng)波進(jìn)行孤子自頻移，同時(shí)凱利邊帶也逐漸增強(qiáng)（roundtrip 900～980）。緊接著主脈沖中心波長(zhǎng)固定在1 575 nm，同時(shí)其他的小脈沖逐漸被PD-ISO濾除（roundtrip 900～1 600）。最終，穩(wěn)定的傳統(tǒng)光學(xué)孤子形成（roundtrip after 1 600）。在孤子形成過(guò)程中的一些代表性光譜在圖3（c）中得到展示，圖3（b）展示的是穩(wěn)定后TS-DFT技術(shù)測(cè)得的孤子光譜和OSA測(cè)得的光譜在線性坐標(biāo)下的對(duì)比，可以看出二者具有很高的相似性，驗(yàn)證了TS-DFT技術(shù)的合理性。

圖3 （a）傳統(tǒng)光學(xué)孤子建立過(guò)程中的實(shí)時(shí)光譜演變；（b）光譜儀和TS-DFT測(cè)量得到的光譜對(duì)比；（c）不同roundtrip下典型的光譜演變

2 束縛態(tài)孤子實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)與結(jié)果

為了觀察到束縛態(tài)孤子，我們用了一個(gè)三合一復(fù)合器件（980/1 550 nm 濾波WDM，偏振相關(guān)隔離器，輸出耦合器）去減少腔長(zhǎng)，避免高次諧波的提早出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。激光器所用的EDF和SMF也分別剪短至1.4 m和2.4 m。

圖4 束縛態(tài)孤子激光器及TS-DFT測(cè)量結(jié)構(gòu)

當(dāng)泵浦功率調(diào)節(jié)為240 mW時(shí)，激光器在合適的PC狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)束縛態(tài)孤子鎖模脈沖的自啟動(dòng)，輸出光譜如圖5（a）所示?？梢钥吹剑庾V上有著典型的束縛態(tài)孤子光譜所特有的調(diào)制，該調(diào)制是由于兩個(gè)相近孤子干涉而導(dǎo)致的，較大的干涉調(diào)制深度說(shuō)明了兩個(gè)孤子的能量也極為接近，干涉的頻率間隔約為118 GHz。圖5（b）展示了束縛態(tài)孤子的自相關(guān)曲線，可以看到曲線上有三只干涉峰，說(shuō)明一個(gè)周期內(nèi)有兩只孤子，且孤子間隔約為8.39 ps。頻率間隔和孤子間隔的乘積為0.990，這一微小誤差主要來(lái)源于光譜儀和自相關(guān)儀的分辨率極限。圖5（c～d）展示了束縛態(tài)孤子的脈沖序列和電脈沖頻譜，圖5（d）中的插圖為脈沖諧波頻譜?？梢钥闯銎涿}沖周期為18.95 ns，脈沖重頻為52.77 MHz，對(duì)應(yīng)激光器腔長(zhǎng)為3.79 m。頻譜上得到的信噪比為65 dB，略低于傳統(tǒng)光學(xué)孤子，插圖中電脈沖的諧波頻譜也因?yàn)楣伦痈缮姹憩F(xiàn)出明顯的調(diào)制。

圖5 激光器輸出束縛態(tài)孤子的（a）光譜、（b）自相關(guān)曲線、（c）脈沖序列以及（d）脈沖頻譜

基于TS-DFT技術(shù)測(cè)量的束縛態(tài)孤子建立過(guò)程中的實(shí)時(shí)光譜迭代如圖6（a）所示，可以看到鎖模過(guò)程在第450個(gè)循環(huán)位置開(kāi)始自啟動(dòng)。對(duì)每個(gè)循環(huán)光譜進(jìn)行傅里葉變換，得到的脈沖自相關(guān)曲線如圖6（c）所示，從圖中可以看到從單個(gè)孤子分離出兩個(gè)相干的束縛態(tài)孤子的過(guò)程。單孤子運(yùn)轉(zhuǎn)建立在第500至1 200個(gè)循環(huán)間，隨后單孤子分裂成時(shí)間上極為相近的兩個(gè)孤子（roundtrip 1 200～1 350），光譜上也表現(xiàn)出較大的頻率調(diào)制周期，隨后分離得到的兩個(gè)孤子快速地遠(yuǎn)離到最大的時(shí)間間隔14 ps，再慢慢吸引最后趨于穩(wěn)定到8 ps。這些代表性的光譜演變?nèi)鐖D6（d）所示，其展示了兩種光譜測(cè)量技術(shù)得到的光譜在線性坐標(biāo)下的對(duì)比，可以看出兩個(gè)光譜依然表現(xiàn)出了很高的相似性。

圖6 （a）基于TS-DFT技術(shù)測(cè)量的束縛態(tài)孤子建立過(guò)程中的實(shí)時(shí)光譜迭代；（b）兩種技術(shù)測(cè)量的光譜在線性坐標(biāo)下的對(duì)比；（c）對(duì)每個(gè)循環(huán)光譜傅里葉變換得到的脈沖自相關(guān)線；（d）迭代過(guò)程中的代表性光譜

3 結(jié)論

綜上所述，本課題組在兩個(gè)摻鉺光纖激光器中，通過(guò)時(shí)間拉伸色散傅里葉變換技術(shù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了傳統(tǒng)光學(xué)孤子和束縛態(tài)孤子的動(dòng)態(tài)建立過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩種孤子的建立過(guò)程遵循如下規(guī)律：首先，腔內(nèi)因?yàn)樽杂烧袷幗㈦S機(jī)脈沖；隨后，小脈沖被抑制，主脈沖被逐漸放大并壓窄形成光學(xué)孤子；緊接著，運(yùn)轉(zhuǎn)孤子經(jīng)歷快速的孤子自頻移形成穩(wěn)定的孤子運(yùn)轉(zhuǎn)。束縛態(tài)孤子的建立表現(xiàn)為單孤子的分離，孤子間隔隨著激光器運(yùn)轉(zhuǎn)而變化，并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為后續(xù)超短脈沖激光的產(chǎn)生、放大及脈寬調(diào)控提供指導(dǎo)，并且在頻率計(jì)、任意波前產(chǎn)生、非線性光纖光學(xué)和MOPA光學(xué)系統(tǒng)里有潛在應(yīng)用。