周 勇，刘韶清
（合肥工业大学 物理学院，安徽 合肥 230009）
近年来，由色散和非线性效应平衡形成的光学孤子，基于其重要的形成机理和广泛的应用场景而得到了大量关注[1-2]。被动锁模激光器作为典型的输出光学孤子非线性系统，成为了研究孤子演变的经典实验平台。通过腔内非线性效应、色散、增益及损耗间的相互作用，大量复杂的孤子演变过程被实验观测到，包括束缚态孤子[3]、孤子雨[4]、孤子爆炸[5]、呼吸孤子[6]、类噪声脉冲[7]以及Rouge波[8]等。由于机械传动机构的限制，传统基于衍射光栅的光谱仪探测速度不足以实现对孤子快速变化光谱的实时测量。所以，替代传统光谱仪的时间拉伸色散傅里叶变换技术（Time Stretched Dispersive Fourier Transform,TS-DFT）被提出[9-11]，该技术利用大群速度色散元件将光脉冲展宽，然后，各光谱分量映射到脉冲时域波形，再应用高速光电探测器和实时示波器记录展宽后的光脉冲，从而换算得到单个孤子的光谱测量。由于孤子脉冲被大色散介质拉伸后的色散传输与一维傍轴夫琅禾费衍射的方程近似，其形式等效于脉冲复振幅的傅里叶变换，因此称之为时间拉伸色散傅里叶变换技术。
在本文中，本课题组基于时间拉伸色散傅里叶变换技术在两个掺铒光纤激光器中实验观测了传统和束缚态光学孤子的建立过程。通过经典的非线性偏振旋转结构实现了脉宽为312 fs的稳定自启动孤子被动锁模，实验记录了传统孤子的形成过程：首先激光器自由运转产生大量随机脉冲；
随后幅度较小的脉冲被压制，主脉冲在逐步放大增强的过程中被逐步压窄形成光学孤子；
最后孤子经历快速的自频移后形成稳定的孤子运转。束缚态孤子则由单孤子运转过程中的自相位调制非线性积累，孤子劈裂形成两只孤子且在运转过程中相互作用，孤子间的延迟变化表现为光谱上的干涉调制变化。
传统孤子光纤激光器及时间拉伸色散傅里叶变换测量的实验结构如图1所示，1 480 nm泵浦源经由波分复用器耦合进入1.5 m长的掺铒光纤（LIEKKI Er-80，β2=-20.6 ps2/km）为激光器提供增益，偏振控制器用于调节腔内运转激光偏振态，3.9 m长的单模光纤（β2=-23ps2/km）用于控制腔长和腔内总色散，偏振相关隔离器用于保证腔内激光的单向运转以及基于偏振相关损耗实现运转脉冲压窄，5∶5输出耦合器用于输出被动锁模脉冲。锁模脉冲经腔外1∶9耦合器2分为两束：10%端经5 km长的色散补偿光纤（YOFC,G652.C DM1010-D，β2=172 ps2/km，D=(-100～170)ps/(nm·km)）展宽后进入带宽为20 GHz的光电探测器1，由示波器测量展宽后的脉冲；
90%端则输入带宽为3 GHz的光电探测器2用于实现示波器的触发。选取小端口进入色散补偿光纤主要是为避免光纤中的非线性效应对色散拉伸的影响，图中所有光纤器件尾纤均为标准的单模光纤。
图1 传统孤子光纤激光器及时间拉伸色散傅里叶变换测量实验结构图。
实验中光谱采用横河品牌AQ6375光谱仪测量，最佳光谱分辨率为0.05 nm；
脉冲时序采用Keysight品牌DSOX6002A 示波器测量，最大采样率为20 GSa/s；
自相关曲线使用APE 品牌SM600 自相关仪测量；
电脉冲频谱采用Keysight品牌N9000B频谱仪测量。
当泵浦功率调节在105 mW时，传统孤子脉冲可以在合适的偏振态下实现自启动，其输出平均光谱如图2（a）所示，中心波长为1 576.2 nm，3 dB谱宽为8.75 nm。自相关曲线如图2（b）所示，其半高全宽为480 fs，对应的sech2拟合下光脉冲宽度为312 fs，时间带宽积计算为0.330，略大于傅里叶变换极限0.315，较小的时间带宽积有力证明了激光器的孤子锁模状态。PD测量的锁模电脉冲序列和频谱（分辨率带宽100 Hz）如图2（c～d）所示（插图为电脉冲谐波频谱），脉冲周期为26.85 ns，重复频率为37.27 MHz，对应腔长为5.37 m。电脉冲频谱的信噪比大于85 dB，说明了锁模极好的稳定性，插图上的电脉冲谐波频谱也展示了较高的平坦性，侧面说明了电脉冲的窄脉宽。
图2 激光器输出传统光学孤子的（a）光谱、（b）自相关曲线、（c）脉冲序列以及（d）脉冲频谱
图3（a）所示为TS-DFT技术测量的传统光学孤子的建立过程，其中有4个不同区域。首先，腔内产生波长不确定的随机脉冲（roundtrip 1～600），由于TS-DFT技术原理只针对宽带超短脉冲成立，所以这段时间的脉冲只代表激光器输出的时序强度变化。其次，小脉冲由于非线性偏振旋转效应被PD-ISO吸收，主脉冲生存下来被逐渐增强并压窄形成孤子，表现为光谱展宽，中心波长为1 570 nm（roundtrip 600～900），预示着锁模状态已经开始自启动。再次，形成的孤子开始往长波进行孤子自频移，同时凯利边带也逐渐增强（roundtrip 900～980）。紧接着主脉冲中心波长固定在1 575 nm，同时其他的小脉冲逐渐被PD-ISO滤除（roundtrip 900～1 600）。最终，稳定的传统光学孤子形成（roundtrip after 1 600）。在孤子形成过程中的一些代表性光谱在图3（c）中得到展示，图3（b）展示的是稳定后TS-DFT技术测得的孤子光谱和OSA测得的光谱在线性坐标下的对比，可以看出二者具有很高的相似性，验证了TS-DFT技术的合理性。
图3 （a）传统光学孤子建立过程中的实时光谱演变；
（b）光谱仪和TS-DFT测量得到的光谱对比；
（c）不同roundtrip下典型的光谱演变
为了观察到束缚态孤子，我们用了一个三合一复合器件（980/1 550 nm 滤波WDM，偏振相关隔离器，输出耦合器）去减少腔长，避免高次谐波的提早出现，其结构如图4所示。激光器所用的EDF和SMF也分别剪短至1.4 m和2.4 m。
图4 束缚态孤子激光器及TS-DFT测量结构
当泵浦功率调节为240 mW时，激光器在合适的PC状态下可以实现束缚态孤子锁模脉冲的自启动，输出光谱如图5（a）所示。可以看到，光谱上有着典型的束缚态孤子光谱所特有的调制，该调制是由于两个相近孤子干涉而导致的，较大的干涉调制深度说明了两个孤子的能量也极为接近，干涉的频率间隔约为118 GHz。图5（b）展示了束缚态孤子的自相关曲线，可以看到曲线上有三只干涉峰，说明一个周期内有两只孤子，且孤子间隔约为8.39 ps。频率间隔和孤子间隔的乘积为0.990，这一微小误差主要来源于光谱仪和自相关仪的分辨率极限。图5（c～d）展示了束缚态孤子的脉冲序列和电脉冲频谱，图5（d）中的插图为脉冲谐波频谱。可以看出其脉冲周期为18.95 ns，脉冲重频为52.77 MHz，对应激光器腔长为3.79 m。频谱上得到的信噪比为65 dB，略低于传统光学孤子，插图中电脉冲的谐波频谱也因为孤子干涉表现出明显的调制。
图5 激光器输出束缚态孤子的（a）光谱、（b）自相关曲线、（c）脉冲序列以及（d）脉冲频谱
基于TS-DFT技术测量的束缚态孤子建立过程中的实时光谱迭代如图6（a）所示，可以看到锁模过程在第450个循环位置开始自启动。对每个循环光谱进行傅里叶变换，得到的脉冲自相关曲线如图6（c）所示，从图中可以看到从单个孤子分离出两个相干的束缚态孤子的过程。单孤子运转建立在第500至1 200个循环间，随后单孤子分裂成时间上极为相近的两个孤子（roundtrip 1 200～1 350），光谱上也表现出较大的频率调制周期，随后分离得到的两个孤子快速地远离到最大的时间间隔14 ps，再慢慢吸引最后趋于稳定到8 ps。这些代表性的光谱演变如图6（d）所示，其展示了两种光谱测量技术得到的光谱在线性坐标下的对比，可以看出两个光谱依然表现出了很高的相似性。
图6 （a）基于TS-DFT技术测量的束缚态孤子建立过程中的实时光谱迭代；
（b）两种技术测量的光谱在线性坐标下的对比；
（c）对每个循环光谱傅里叶变换得到的脉冲自相关线；
（d）迭代过程中的代表性光谱
综上所述，本课题组在两个掺铒光纤激光器中，通过时间拉伸色散傅里叶变换技术实验观测到了传统光学孤子和束缚态孤子的动态建立过程，实验结果显示两种孤子的建立过程遵循如下规律：首先，腔内因为自由振荡建立随机脉冲；
随后，小脉冲被抑制，主脉冲被逐渐放大并压窄形成光学孤子；
紧接着，运转孤子经历快速的孤子自频移形成稳定的孤子运转。束缚态孤子的建立表现为单孤子的分离，孤子间隔随着激光器运转而变化，并最终趋于一个稳定值。该实验结果可以为后续超短脉冲激光的产生、放大及脉宽调控提供指导，并且在频率计、任意波前产生、非线性光纤光学和MOPA光学系统里有潜在应用。