基于時間拉伸色散傅里葉變換技術的孤子建立過程實驗觀測

周 勇，劉韶清

（合肥工業(yè)大學 物理學院，安徽 合肥 230009）

近年來，由色散和非線性效應平衡形成的光學孤子，基于其重要的形成機理和廣泛的應用場景而得到了大量關注[1-2]。被動鎖模激光器作為典型的輸出光學孤子非線性系統(tǒng)，成為了研究孤子演變的經(jīng)典實驗平臺。通過腔內(nèi)非線性效應、色散、增益及損耗間的相互作用，大量復雜的孤子演變過程被實驗觀測到，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。由于機械傳動機構的限制，傳統(tǒng)基于衍射光柵的光譜儀探測速度不足以實現(xiàn)對孤子快速變化光譜的實時測量。所以，替代傳統(tǒng)光譜儀的時間拉伸色散傅里葉變換技術（Time Stretched Dispersive Fourier Transform,TS-DFT）被提出[9-11]，該技術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域波形，再應用高速光電探測器和實時示波器記錄展寬后的光脈沖，從而換算得到單個孤子的光譜測量。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衍射的方程近似，其形式等效于脈沖復振幅的傅里葉變換，因此稱之為時間拉伸色散傅里葉變換技術。

在本文中，本課題組基于時間拉伸色散傅里葉變換技術在兩個摻鉺光纖激光器中實驗觀測了傳統(tǒng)和束縛態(tài)光學孤子的建立過程。通過經(jīng)典的非線性偏振旋轉結構實現(xiàn)了脈寬為312 fs的穩(wěn)定自啟動孤子被動鎖模，實驗記錄了傳統(tǒng)孤子的形成過程：首先激光器自由運轉產(chǎn)生大量隨機脈沖；隨后幅度較小的脈沖被壓制，主脈沖在逐步放大增強的過程中被逐步壓窄形成光學孤子；最后孤子經(jīng)歷快速的自頻移后形成穩(wěn)定的孤子運轉。束縛態(tài)孤子則由單孤子運轉過程中的自相位調(diào)制非線性積累，孤子劈裂形成兩只孤子且在運轉過程中相互作用，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)孤子實驗結構與結果

傳統(tǒng)孤子光纖激光器及時間拉伸色散傅里葉變換測量的實驗結構如圖1所示，1 480 nm泵浦源經(jīng)由波分復用器耦合進入1.5 m長的摻鉺光纖（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)運轉激光偏振態(tài)，3.9 m長的單模光纖（β2=-23ps2/km）用于控制腔長和腔內(nèi)總色散，偏振相關隔離器用于保證腔內(nèi)激光的單向運轉以及基于偏振相關損耗實現(xiàn)運轉脈沖壓窄，5∶5輸出耦合器用于輸出被動鎖模脈沖。鎖模脈沖經(jīng)腔外1∶9耦合器2分為兩束：10%端經(jīng)5 km長的色散補償光纖（YOFC,G652.C DM1010-D，β2=172 ps2/km，D=(-100～170)ps/(nm·km)）展寬后進入帶寬為20 GHz的光電探測器1，由示波器測量展寬后的脈沖；90%端則輸入帶寬為3 GHz的光電探測器2用于實現(xiàn)示波器的觸發(fā)。選取小端口進入色散補償光纖主要是為避免光纖中的非線性效應對色散拉伸的影響，圖中所有光纖器件尾纖均為標準的單模光纖。

圖1 傳統(tǒng)孤子光纖激光器及時間拉伸色散傅里葉變換測量實驗結構圖。

實驗中光譜采用橫河品牌AQ6375光譜儀測量，最佳光譜分辨率為0.05 nm；脈沖時序采用Keysight品牌DSOX6002A 示波器測量，最大采樣率為20 GSa/s；自相關曲線使用APE 品牌SM600 自相關儀測量；電脈沖頻譜采用Keysight品牌N9000B頻譜儀測量。

當泵浦功率調(diào)節(jié)在105 mW時，傳統(tǒng)孤子脈沖可以在合適的偏振態(tài)下實現(xiàn)自啟動，其輸出平均光譜如圖2（a）所示，中心波長為1 576.2 nm，3 dB譜寬為8.75 nm。自相關曲線如圖2（b）所示，其半高全寬為480 fs，對應的sech2擬合下光脈沖寬度為312 fs，時間帶寬積計算為0.330，略大于傅里葉變換極限0.315，較小的時間帶寬積有力證明了激光器的孤子鎖模狀態(tài)。PD測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，重復頻率為37.27 MHz，對應腔長為5.37 m。電脈沖頻譜的信噪比大于85 dB，說明了鎖模極好的穩(wěn)定性，插圖上的電脈沖諧波頻譜也展示了較高的平坦性，側面說明了電脈沖的窄脈寬。

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

圖3（a）所示為TS-DFT技術測量的傳統(tǒng)光學孤子的建立過程，其中有4個不同區(qū)域。首先，腔內(nèi)產(chǎn)生波長不確定的隨機脈沖（roundtrip 1～600），由于TS-DFT技術原理只針對寬帶超短脈沖成立，所以這段時間的脈沖只代表激光器輸出的時序強度變化。其次，小脈沖由于非線性偏振旋轉效應被PD-ISO吸收，主脈沖生存下來被逐漸增強并壓窄形成孤子，表現(xiàn)為光譜展寬，中心波長為1 570 nm（roundtrip 600～900），預示著鎖模狀態(tài)已經(jīng)開始自啟動。再次，形成的孤子開始往長波進行孤子自頻移，同時凱利邊帶也逐漸增強（roundtrip 900～980）。緊接著主脈沖中心波長固定在1 575 nm，同時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)光學孤子形成（roundtrip after 1 600）。在孤子形成過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技術測得的孤子光譜和OSA測得的光譜在線性坐標下的對比，可以看出二者具有很高的相似性，驗證了TS-DFT技術的合理性。

圖3 （a）傳統(tǒng)光學孤子建立過程中的實時光譜演變；（b）光譜儀和TS-DFT測量得到的光譜對比；（c）不同roundtrip下典型的光譜演變

2 束縛態(tài)孤子實驗結構與結果

為了觀察到束縛態(tài)孤子，我們用了一個三合一復合器件（980/1 550 nm 濾波WDM，偏振相關隔離器，輸出耦合器）去減少腔長，避免高次諧波的提早出現(xiàn)，其結構如圖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測量結構

當泵浦功率調(diào)節(jié)為240 mW時，激光器在合適的PC狀態(tài)下可以實現(xiàn)束縛態(tài)孤子鎖模脈沖的自啟動，輸出光譜如圖5（a）所示?？梢钥吹?，光譜上有著典型的束縛態(tài)孤子光譜所特有的調(diào)制，該調(diào)制是由于兩個相近孤子干涉而導致的，較大的干涉調(diào)制深度說明了兩個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)孤子的自相關曲線，可以看到曲線上有三只干涉峰，說明一個周期內(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源于光譜儀和自相關儀的分辨率極限。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。可以看出其脈沖周期為18.95 ns，脈沖重頻為52.77 MHz，對應激光器腔長為3.79 m。頻譜上得到的信噪比為65 dB，略低于傳統(tǒng)光學孤子，插圖中電脈沖的諧波頻譜也因為孤子干涉表現(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）自相關曲線、（c）脈沖序列以及（d）脈沖頻譜

基于TS-DFT技術測量的束縛態(tài)孤子建立過程中的實時光譜迭代如圖6（a）所示，可以看到鎖模過程在第450個循環(huán)位置開始自啟動。對每個循環(huán)光譜進行傅里葉變換，得到的脈沖自相關曲線如圖6（c）所示，從圖中可以看到從單個孤子分離出兩個相干的束縛態(tài)孤子的過程。單孤子運轉建立在第500至1 200個循環(huán)間，隨后單孤子分裂成時間上極為相近的兩個孤子（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孤子快速地遠離到最大的時間間隔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量技術得到的光譜在線性坐標下的對比，可以看出兩個光譜依然表現(xiàn)出了很高的相似性。

圖6 （a）基于TS-DFT技術測量的束縛態(tài)孤子建立過程中的實時光譜迭代；（b）兩種技術測量的光譜在線性坐標下的對比；（c）對每個循環(huán)光譜傅里葉變換得到的脈沖自相關線；（d）迭代過程中的代表性光譜

3 結論

綜上所述，本課題組在兩個摻鉺光纖激光器中，通過時間拉伸色散傅里葉變換技術實驗觀測到了傳統(tǒng)光學孤子和束縛態(tài)孤子的動態(tài)建立過程，實驗結果顯示兩種孤子的建立過程遵循如下規(guī)律：首先，腔內(nèi)因為自由振蕩建立隨機脈沖；隨后，小脈沖被抑制，主脈沖被逐漸放大并壓窄形成光學孤子；緊接著，運轉孤子經(jīng)歷快速的孤子自頻移形成穩(wěn)定的孤子運轉。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轉而變化，并最終趨于一個穩(wěn)定值。該實驗結果可以為后續(xù)超短脈沖激光的產(chǎn)生、放大及脈寬調(diào)控提供指導，并且在頻率計、任意波前產(chǎn)生、非線性光纖光學和MOPA光學系統(tǒng)里有潛在應用。