被動鎖模矢量孤子光纖激光器及輸出矢量孤子的方法與流程

本發明涉及超快脈沖激光技術領域，具體涉及一種基于偏振有關可飽和吸收體的被動鎖模矢量孤子光纖激光器及采用該激光器輸出矢量孤子的方法。

背景技術：

在光纖激光器中，由于被動鎖模矢量孤子激光器可以提供高穩定性、高光束質量、高能量的超短矢量孤子脈沖，因此被廣泛應用于科研、工業、國防、環境、能源、通訊等與人們生活息息相關的領域，具有強大的應用價值。

在光纖激光器中產生被動鎖模矢量孤子的最重要器件是可飽和吸收體。目前常用的可飽和吸收體包括半導體可飽和吸收體、碳納米管、石墨烯、拓撲絕緣體、二硫化鉬等可飽和吸收體。這些材料都是偏振無關的，矢量孤子脈沖的產生是在偏振無光可飽和吸收體模型下。

由于現有的被動鎖模矢量孤子光纖激光器采用的可飽和吸收體是偏振無關的模型，并沒有考慮可飽和吸收體的偏振相關損耗問題，而實際的可飽和吸收體器件往往存在偏振相關損耗，這些偏振相關損耗將影響矢量孤子光纖激光器的穩定性和鎖模狀態。

近年出現的二維材料黑磷具有各向異性的光學特性和偏振有關的光響應，但利用偏振有關光響應的可飽和吸收體在光纖激光器中產生矢量孤子還沒有被采用。

技術實現要素：

本發明的目的是克服上述現有技術的不足而提供一種基于偏振有關可飽和吸收體的被動鎖模矢量孤子光纖激光器及采用該激光器輸出矢量孤子的方法，該激光器能夠實現穩定的矢量孤子輸出。

本發明的技術方案是：被動鎖模矢量孤子光纖激光器，它采用二維材料黑磷作為偏振有關可飽和吸收體，利用二維材料黑磷具有各向異性的光學特性和偏振有關的光響應來產生偏振相關可飽和吸收，并實現穩定的矢量孤子輸出。

所述的被動鎖模矢量孤子光纖激光器包括泵浦源、光纖波分復用器、摻鉺光纖、光纖耦合器、偏振有關可飽和吸收體、第一偏振控制器、偏振無關隔離器、第二偏振控制器及偏振分束器。

泵浦源連接光纖波分復用器的反射端，光纖波分復用器的公共端連接摻鉺光纖的輸入端，摻鉺光纖的輸出端連接光纖耦合器的輸入端，光纖耦合器的輸出端分為第一輸出端及第二輸出端，其中第一輸出端光強占光纖耦合器總光強的10%，第二輸出端光強占光纖耦合器總光強的90%，光纖耦合器的第一輸出端連接第二偏振控制器的輸入端，第二偏振控制器的輸出端連接偏振分束器的輸入端，光纖耦合器的第二輸出端連接偏振有關可飽和吸收體的輸入端，偏振有關可飽和吸收體的輸出端連接第一偏振控制器的輸入端，第一偏振控制器的輸出端連接偏振無關隔離器的輸入端，偏振無關隔離器的輸出端連接光纖波分復用器的透射端。

所述的泵浦源采用單模光纖耦合的半導體激光器，波長為1480nm或980nm，當泵浦源的波長為1480nm時，所述的光纖波分復用器的工作波長為1480/1550nm。當泵浦源的波長為980nm時，所述的光纖波分復用器的工作波長為980/1550nm。

所述的摻鉺光纖采用1～3m長的摻鉺光纖作為激光增益介質，光纖波分復用器、光纖耦合器、第一偏振控制器及偏振無關隔離器的工作波長為1550nm。

所述光纖耦合器采用90：10的光纖耦合器。

所述第一偏振控制器和第二偏振控制器均采用三片線圈旋轉式偏振控制器。

所述偏振分束器為光纖耦合型。

所述偏振有關可飽和吸收體采用透射型或反射型，偏振有關可飽和吸收體x方向的可飽和吸收參數與其y方向的可飽和吸收參數不一致。光纖快軸h對應于偏振有關可飽和吸收體的x方向，而光纖慢軸v對應于偏振有關可飽和吸收體的y方向。

采用被動鎖模矢量孤子光纖激光器輸出矢量孤子的方法如下：被動鎖模矢量孤子光纖激光器輸出穩定的第一光脈沖及第二光脈沖，第一光脈沖分別為偏振鎖定矢量孤子h偏振分量或偏振旋轉鎖定矢量孤子h偏振分量，第二光脈沖分別為偏振鎖定矢量孤子v偏振分量或偏振旋轉鎖定矢量孤子v偏振分量。

被動鎖模矢量孤子光纖激光器輸出偏振鎖定矢量孤子h偏振分量和偏振鎖定矢量孤子v偏振分量及偏振旋轉鎖定矢量孤子h偏振分量和偏振旋轉鎖定矢量孤子v偏振分量是通過光纖耦合器輸出偏振鎖定矢量孤子或偏振旋轉鎖定矢量孤子兩種光信號來實現，調整泵浦源的功率和第一偏振控制器的θ角能夠實現兩者的轉換。其具體操作方法如下：

a、偏振鎖定矢量孤子偏振分量的輸出，調整泵浦源的功率，將泵浦源功率調整到120mw，第一偏振控制器的θ角為0，此時，光纖耦合器輸出偏振鎖定矢量孤子光信號，由于偏振有關可飽和吸收體的偏振有關可飽和吸收作用，光纖耦合器的第一輸出端a輸出10%的光信號，光信號經過第二偏振控制器及偏振分束器，由偏振分束器輸出兩個偏振方向正交的光脈沖，兩個光脈沖分別為第一光脈沖及第二光脈沖，第一光脈沖為偏振鎖定矢量孤子h偏振分量，第二光脈沖為偏振鎖定矢量孤子v偏振分量。

光纖耦合器的第二輸出端b輸出90%的光信號，90%的光信號經過偏振有關可飽和吸收體、第一偏振控制器及偏振無關隔離器從光纖波分復用器的透射端進入光纖波分復用器。

b、偏振旋轉鎖定矢量孤子偏振分量的輸出，調整第一偏振控制器的θ角到π/4，此時，光纖耦合器輸出偏振旋轉鎖定矢量孤子光信號，由于偏振有關可飽和吸收體的偏振有關可飽和吸收作用，光纖耦合器的第一輸出端a輸出10%的光信號，光信號經過第二偏振控制器及偏振分束器，由偏振分束器輸出兩個偏振方向正交的光脈沖，兩個光脈沖分別為第一光脈沖及第二光脈沖，第一光脈沖為偏振旋轉鎖定矢量孤子h偏振分量，第二光脈沖為偏振旋轉鎖定矢量孤子v偏振分量。在激光器的輸出端記錄100圈的輸出脈沖，h和v兩個偏振分量的脈沖峰值光強出現周期性振蕩，但是總光強保持穩定。

光纖耦合器的第二輸出端b輸出90%的光信號，90%的光信號經過偏振有關可飽和吸收體、第一偏振控制器及偏振無關隔離器從光纖波分復用器的透射端進入光纖波分復用器。

本發明與現有技術相比具有如下特點：

由于現有可飽和吸收體器件總是存在微弱的偏振相關損耗的問題，本發明提供的采用偏振有關可飽和吸收體的被動鎖模矢量孤子光纖激光器，在考慮可飽和吸收體的偏振相關損耗的情況下能夠實現穩定的矢量孤子光脈沖，更符合實際應用。

以下結合附圖和具體實施方式對本發明的詳細結構作進一步描述。

附圖說明

附圖1為本發明提供的基于偏振有關可飽和吸收體的矢量孤子光纖激光器結構示意圖；

附圖2為偏振鎖定矢量孤子的h和v兩個偏振分量的歸一化光強分布圖；

附圖3為偏振鎖定矢量孤子的h和v兩個偏振分量的相位分布圖；

附圖4為偏振鎖定矢量孤子的h和v兩個偏振分量的光譜圖；

附圖5為100圈偏振鎖定矢量孤子的龐加萊球圖；

附圖6為偏振旋轉鎖定矢量孤子的h偏振分量的光強分布圖；

附圖7為偏振旋轉鎖定矢量孤子的v偏振分量的光強分布圖；

附圖8為偏振旋轉鎖定矢量孤子的總光強分布圖；

附圖9為100圈偏振旋轉鎖定矢量孤子的龐加萊球圖；

附圖10為100圈偏振鎖定矢量孤子經過偏振分束器后的光強分布圖；

附圖11為100圈偏振鎖定矢量孤子經過偏振分束器后的峰值功率偏振演化頻率圖。

具體實施方式

實施例一、被動鎖模矢量孤子光纖激光器，它是采用二維材料黑磷作為偏振有關可飽和吸收體，利用二維材料黑磷具有各向異性的光學特性和偏振有關的光響應來實現穩定的矢量孤子輸出。

所述的被動鎖模矢量孤子光纖激光器包括泵浦源1、光纖波分復用器2、摻鉺光纖3、光纖耦合器4、偏振有關可飽和吸收體5、第一偏振控制器6、偏振無關隔離器7、第二偏振控制器8及偏振分束器9。

泵浦源1連接光纖波分復用器2的反射端，光纖波分復用器2的公共端連接摻鉺光纖3的輸入端，摻鉺光纖3的輸出端連接光纖耦合器4的輸入端，光纖耦合器4的輸出端分為第一輸出端a及第二輸出端b，其中第一輸出端a光強占光纖耦合器4總光強的10%，第二輸出端b光強占光纖耦合器4總光強的90%，光纖耦合器4的第一輸出端a連接第二偏振控制器8的輸入端，第二偏振控制器8的輸出端連接偏振分束器9的輸入端，光纖耦合器4的第二輸出端b連接偏振有關可飽和吸收體5的輸入端，偏振有關可飽和吸收體5的輸出端連接第一偏振控制器6的輸入端，第一偏振控制器6的輸出端連接偏振無關隔離器7的輸入端，偏振無關隔離器7的輸出端連接光纖波分復用器2的透射端。

所述的泵浦源1采用單模光纖耦合的半導體激光器，波長為1480nm，當泵浦源1的波長為1480nm時，所述的光纖波分復用器2的工作波長為1480/1550nm。

所述的摻鉺光纖3采用1～3m長的摻鉺光纖作為激光增益介質，光纖波分復用器2、光纖耦合器4、第一偏振控制器6及偏振無關隔離器7的工作波長為1550nm。

所述光纖耦合器4采用90：10的光纖耦合器。

所述偏振有關可飽和吸收體5采用透射型，偏振有關可飽和吸收體5x方向的可飽和吸收參數與其y方向的可飽和吸收參數不一致。光纖快軸h對應于偏振有關可飽和吸收體的x方向，而光纖慢軸v對應于偏振有關可飽和吸收體的y方向。

所述第一偏振控制器6和第二偏振控制器8均采用三片線圈旋轉式偏振控制器。

所述偏振分束器9為光纖耦合型。

采用被動鎖模矢量孤子光纖激光器輸出矢量孤子的方法如下：由光纖耦合器4輸出偏振鎖定矢量孤子或偏振旋轉鎖定矢量孤子兩種光脈沖，光纖耦合器4的第一輸出端a輸出10%光信號經過第二偏振控制器8及偏振分束器9，由偏振分束器9輸出兩個偏振方向正交的光脈沖，兩個光脈沖分別為第一光脈沖10及第二光脈沖11，第一光脈沖10為偏振鎖定矢量孤子h偏振分量或偏振旋轉鎖定矢量孤子h偏振分量，第二光脈沖11為偏振鎖定矢量孤子v偏振分量或偏振旋轉鎖定矢量孤子v偏振分量。

光纖耦合器4的第二輸出端b輸出90%的光信號，90%的光信號經過偏振有關可飽和吸收體5、第一偏振控制器6及偏振無關隔離器7從光纖波分復用器2的透射端進入光纖波分復用器2。

被動鎖模矢量孤子光纖激光器輸出偏振鎖定矢量孤子h偏振分量和偏振鎖定矢量孤子v偏振分量及偏振旋轉鎖定矢量孤子h偏振分量和偏振旋轉鎖定矢量孤子v偏振分量是通過光纖耦合器4輸出偏振鎖定矢量孤子或偏振旋轉鎖定矢量孤子兩種光信號來實現，調整泵浦源1的功率和第一偏振控制器6的θ角能夠實現兩者的轉換。其具體操作方法如下：

a、偏振鎖定矢量孤子偏振分量的輸出，調整泵浦源1的功率，將泵浦源1功率調整到120mw，第一偏振控制器6的θ角為0，此時，光纖耦合器4輸出偏振鎖定矢量孤子光信號，由于偏振有關可飽和吸收體5的偏振有關可飽和吸收作用，光纖耦合器4的第一輸出端a輸出10%的光信號，光信號經過第二偏振控制器8及偏振分束器9，由偏振分束器9輸出兩個偏振方向正交的光脈沖，兩個光脈沖分別為第一光脈沖及第二光脈沖，第一光脈沖為偏振鎖定矢量孤子h偏振分量，第二光脈沖為偏振鎖定矢量孤子v偏振分量。

偏振鎖定矢量孤子的h和v兩個偏振分量的歸一化光強如附圖2所示，h和v兩個偏振分量的相對光強不同，用總光強歸一化。

偏振鎖定矢量孤子的h和v兩個偏振分量的相位如附圖3所示，沿整個脈沖剖面，h和v兩個偏振分量的相位差為π/2。

偏振鎖定矢量孤子的h和v兩個偏振分量的光譜如附圖4所示。

100圈偏振鎖定矢量孤子的龐加萊球圖如附圖5所示，在龐加萊球上可以看出，100圈脈沖的偏振態都集中在龐加萊球的一點，說明這些脈沖的偏振態是相同的。

b、偏振旋轉鎖定矢量孤子偏振分量的輸出，調整第一偏振控制器6的θ角到π/4，此時，光纖耦合器輸4出偏振旋轉鎖定矢量孤子光信號，由于偏振有關可飽和吸收體的偏振有關可飽和吸收作用，光纖耦合器4的第一輸出端a輸出10%的光信號，光信號經過第二偏振控制器8及偏振分束器9，由偏振分束器9輸出兩個偏振方向正交的光脈沖，兩個光脈沖分別為第一光脈沖10及第二光脈沖11，第一光脈沖10為偏振旋轉鎖定矢量孤子h偏振分量，第二光脈沖11為偏振旋轉鎖定矢量孤子v偏振分量。在激光器的輸出端記錄100圈的輸出脈沖，h和v兩個偏振分量的脈沖峰值光強出現周期性振蕩，但是總光強保持穩定。

光纖耦合器4的第二輸出端b輸出90%的光信號，90%的光信號經過偏振有關可飽和吸收體5、第一偏振控制器6及偏振無關隔離器7從光纖波分復用器2的透射端進入光纖波分復用器2。

偏振旋轉鎖定矢量孤子的h偏振分量的光強如附圖6所示。

偏振旋轉鎖定矢量孤子的v偏振分量的光強如附圖7所示。

偏振旋轉鎖定矢量孤子的總光強如附圖8所示。

100圈偏振旋轉鎖定矢量孤子的龐加萊球圖如附圖9所示，在龐加萊球上看到，這些脈沖的偏振態在龐加萊球上分布成一個環形的閉合曲線，脈沖的偏振態呈現周期性地變化。

輸出的100圈脈沖經過偏振分束器9之后，得到脈沖峰值光強發生周期性地變化，其峰值功率的偏振演化頻率（pef）為0.11/tc，其中tc為光脈沖循環諧振腔一周的時間，100圈偏振鎖定矢量孤子經過偏振分束器后的光強如附圖10所示，100圈偏振鎖定矢量孤子經過偏振分束器后的峰值功率偏振演化頻率如附圖11所示。

實施例二、本實施例采用了實施例一的技術方案，與實施例一不同的是，所述的泵浦源1采用單模光纖耦合的半導體激光器，波長為980nm，所述的光纖波分復用器2的工作波長為980/1550nm。

實施例三、本實施例采用了實施例一的技術方案，與實施例一不同的是，所述偏振有關可飽和吸收體5采用反射型，偏振有關可飽和吸收體5x方向的可飽和吸收參數與其y方向的可飽和吸收參數不一致。光纖快軸h對應于偏振有關可飽和吸收體的x方向，而光纖慢軸v對應于偏振有關可飽和吸收體的y方向。

實施例四、本實施例采用了實施例三的技術方案，與實施例三不同的是，所述的泵浦源1采用單模光纖耦合的半導體激光器，波長為980nm，所述的光纖波分復用器2的工作波長為980/1550nm。