基于Lyot滤波器的全正色散掺镱光纤激光器中可调控孤子分子动力学研究

《Photonics》：Generation of Soliton Molecules in an All-Normal Dispersion Yb-Doped Fiber Laser with a Lyot Filter Yanshu Wu, Guangyi Wu, Zichen Zhao, Jiaxin Xie, Abdul Qayyum Khan, Muhammad Shahid Rafiqued, Dongyun Yin and Shuai Yuan

　　

研究人员报道了一种基于Lyot滤波器（Lyot filter）的全正色散掺镱光纤激光器（Yb-doped fiber laser），实现了重复频率75.8 MHz的孤子分子（soliton molecules）可控产生。通过在腔内引入Lyot滤波器实现精确光谱选择，结合非线性偏振演化（nonlinear polarization evolution, NPE）机制实现稳定锁模。实验观察到松散束缚与紧密束缚两种孤子态可通过泵浦功率和波片（waveplate）取向连续调控。理论推导表明，Lyot滤波器的传输特性由保偏光纤（polarization-maintaining fiber, PMF）长度L、双折射系数Bm及波长λ共同决定，其周期性传输窗口与孤子锁定直接相关。数值模拟采用分步傅里叶法（split-step Fourier method）验证了光谱调制周期与脉冲间隔的对应关系，实验测得0.3 nm、0.6 nm、0.9 nm调制周期分别对应0.741 ns、0.889 ns、1.141 ns脉冲分离，与理论预测一致。该工作为全光信号处理单元提供了可重构的基本构件。

研究背景方面，全正色散光纤激光器中孤子分子的动态调控是当前超快光学的研究热点。现有研究主要依赖NPE锁模，存在光谱调制周期较小（0.2–0.6 nm）、束缚态切换不可控等问题。为实现高重复频率、可调谐孤子分子的稳定输出，研究人员将Lyot滤波器引入全正色散掺镱光纤腔，利用其偏振依赖的周期性传输特性调控多脉冲相互作用。该研究对高密度光通信和超快微加工具有重要意义，成果发表于《Photonics》。

关键技术方法包括：（1）搭建全正色散掺镱光纤激光器，腔内集成Lyot滤波器（含保偏光纤和偏振控制器）；（2）采用分步傅里叶法进行数值模拟，设置500次往返传播以确保耗散孤子稳定；（3）通过光谱仪（Agilent N9000A）和自相关仪测量输出光谱与脉冲特性；（4）调节泵浦功率（0.35–1.7 W）和波片角度实现束缚态调控。

研究结果分为以下部分：

Lyot滤波器传输模型：研究人员推导了Lyot滤波器的琼斯矩阵模型，证明其传输矩阵P由相位延迟Δφ'=2πLB_m/λ决定，其中θ₁为保偏光纤快慢轴夹角，Δφ₁、Δφ₂分别为PC1、PC2引入的相位延迟。总透射率|T|²表达式显示，透射峰位置由Δφ'与Δφ₁+Δφ₂共同决定。

数值模拟验证：模拟显示0.3 nm、0.6 nm、0.9 nm光谱调制周期分别对应0.741 ns、0.889 ns、1.141 ns脉冲分离，与实验结果吻合，证实Lyot滤波器周期性传输窗口与孤子锁定的因果关系。

实验结果：在0.35 W泵浦下实现75.8 MHz基频锁模，信背比80 dB。0.7 W泵浦时观测到松散束缚孤子，光谱调制周期0.3 nm，脉冲间隔11.6 ps（约8.8倍脉宽），强度比0.8:2:0.8；1.7 W泵浦时转变为紧密束缚态，调制周期0.95 nm，间隔3.7 ps（约2.3倍脉宽），强度分布更集中。

稳定性分析：泵浦功率超过1.3 W后，光谱调制周期稳定在0.95 nm，表明非线性效应饱和；6小时功率监测显示均方根抖动0.297%，证实紧密束缚态具有良好稳定性。

讨论与结论部分指出，Lyot滤波器通过周期性光谱选择抑制边带并维持中心光谱，其时间-频率对偶性产生低损耗时间窗口，当孤子间隔与滤波器周期匹配时实现被动同步。泵浦功率增加增强克尔非线性（自相位调制SPM和交叉相位调制XPM），导致孤子从松散束缚向紧密束缚转变。与近年同类研究相比，该工作实现了更大光谱调制周期（0.3–0.95 nm）、更高重复频率（75.8 MHz）及可控态切换。研究人员总结认为，该Lyot滤波器集成方案为孤子分子动力学研究提供了新途径，所产生的高重复频率孤子分子可作为可重构全光信号处理单元的基础构件，应用于光逻辑门、缓冲器及延迟线等集成光子回路。