基于RPS-FBG的随机光纤激光器中由NALM引发的周期性脉冲产生：明暗脉冲对与脉冲簇

《Optical Fiber Technology》：NALM-induced periodic pulse generation in a random fiber laser based on RPS-FBG: Bright–dark pulse pairs and pulse bunches

　　

Rupeng Li|Ailing Zhang|Chunqi Chen|Honggang Pan|Zihong Zhao|Yichen Li|Bin Li

教育部通信器件与技术工程研究中心，天津薄膜电子与通信器件重点实验室，天津工业大学集成电路科学与工程学院，中国天津300384

摘要

本文通过实验展示了一种随机光纤激光器，该激光器能够生成稳定的周期性脉冲列，其实现依赖于非线性放大环镜和随机相移光纤布拉格光栅。非线性放大环镜可作为可调的人造非线性传输元件，通过非线性干涉实现可切换的类饱和吸收和类逆饱和吸收传输特性。通过调节非线性放大环镜内的偏振控制器，可得到重复频率在162.3 kHz到1.28 MHz之间可调的稳定周期性脉冲列。此外，通过改变泵浦功率、半导体光学放大器驱动电流以及偏振控制器的状态，还可产生高达32阶的高次谐波脉冲列。实验还观察到了多种复杂的脉冲动态现象，包括明暗脉冲对、亮脉冲团和暗脉冲团。明暗脉冲对的重复频率可在243.9 kHz到446.4 kHz之间调节。目前，随机光纤激光器的周期性脉冲工作模式仍较少被研究。所提出的激光器为研究随机激光系统中的非线性脉冲动力学提供了一个简单有效的平台，在光谱学、光通信和传感领域具有广阔的应用前景。

引言

随机光纤激光器具有腔结构简单、易于制造、空间相干性低、输出稳定且潜在效率高的特点。正因为这些优势，随机光纤激光器作为光通信[1]、[2]、[3]、成像[4]、传感[5]、[6]以及非线性光学[7]领域的理想光源，越来越受到关注。

自20世纪60年代中期以来，模式锁定技术已被广泛用于传统激光器中，通过严格锁定等间隔的纵模来产生超短脉冲。然而在随机激光器中，反馈机制与传统谐振腔有很大不同，明确的纵模概念也变得不那么清晰。因此，实现随机激光器的稳定可控脉冲输出仍然是一个重大挑战。

随着对随机光纤激光器研究的深入，脉冲型随机光纤激光器在光控制、全场光学相干断层扫描、高分辨率传感以及频率计量等领域引起了广泛关注[8]、[9]、[10]。与传统激光器不同，随机激光器的有效模式间距通常是不规则且动态变化的，这使得产生稳定的周期性脉冲尤为困难[11]、[12]。

在基于光纤的随机激光器中，分布式反馈通常可分为非相干反馈和相干反馈两类。非相干反馈通常由长单模光纤中的瑞利散射提供，由于缺乏明确的谐振模式，很难实现确定的脉冲形成，通常需要通过外部调制或自脉动机制来实现脉冲输出。而相干反馈则可以通过随机分布的光纤布拉格光栅阵列来实现，这类光栅能引入多个局域化谐振路径，从而实现更确定的时序特性。研究表明，这种相干反馈能够支持随机激光器中的周期性脉冲输出以及与有效腔长相关的谐波脉冲现象[13]。

目前已有几种方法被用来在相干随机光纤激光器中实现脉冲输出。2020年，Hu等人利用非线性极化旋转和半导体饱和吸收镜的共同作用，展示了一种具有可调重复频率的随机光纤激光器，能够产生可控的周期性脉冲列以及高次谐波脉冲[13]。最近，Jean等人提出了一种随机激光器，通过循环信号的重复放大结合时间门控滤波实现同步脉冲输出，从而产生变换受限脉冲[14]。尽管取得了这些进展，但许多现有方案仍依赖于复杂的腔结构、外部同步机制或额外的脉冲控制组件。因此，开发一种简单灵活的相干反馈随机光纤激光器，使其能够产生稳定的周期性脉冲列并具备多种脉冲动态特性，仍然具有重要意义。

基于材料的饱和吸收体，如有机8-HQCdCl₂H₂O、石墨烯、黑磷、过渡金属硫属化合物以及氧化铟锡，已被广泛用于铒掺杂和铥掺杂光纤激光器中的Q开关、模式锁定或暗脉冲输出应用[15]、[16]、[17]、[18]。这些研究证实，真正的饱和吸收体是有效的脉冲控制元件。然而，它们的性能很大程度上取决于材料本身的参数，包括调制深度、饱和强度、非饱和损耗、热稳定性、抗氧化性、光损伤阈值以及制造重复性。例如，基于石墨烯的饱和吸收体每层的调制深度可能相对较低，黑磷可能会受到环境氧化和长期降解的影响，而某些基于过渡金属硫属化合物的饱和吸收体则可能存在样品间差异以及光损伤限制。此外，大多数基于真实饱和吸收体的应用都是在不透明的传统谐振光纤腔中实现的，其脉冲重复频率主要由固定的腔长决定，可实现的脉冲类型也受到固定吸收体响应的限制。

与非线性极化旋转、半导体饱和吸收镜、基于材料的饱和吸收体以及被动非线性光学环镜相比，非线性放大环镜无需引入任何物理吸收材料，就能提供可调的人造非线性传输机制。非线性极化旋转虽然能产生丰富的脉冲动态特性，但它对腔内偏振状态和环境扰动十分敏感。半导体饱和吸收镜虽然是一种成熟有效的器件，但其运行会受到制造成本、设计波长范围、调制深度以及损伤阈值的限制。被动非线性光学环镜具有全光纤结构且抗损伤能力较强，但其开关行为通常需要环中积累足够的克尔效应相位。相比之下，非线性放大环镜结合了非线性干涉和不对称放大机制，能够提供更为灵活的非线性传输功能。通过调节偏振控制器和半导体光学放大器的增益，非线性放大环镜可以表现出类饱和吸收或类逆饱和吸收的传输特性。这一特性对于控制随机光纤激光器中的脉冲形成以及在不同脉冲模式之间切换尤为重要。

在本研究中，我们基于非线性放大环镜和随机相移光纤布拉格光栅，实验展示了一种能够生成稳定周期性脉冲列和高次谐波脉冲列的随机光纤激光器。随机相移光纤布拉格光栅作为相干随机反馈元件，能够提供多条局域化谐振路径，并在宽光谱范围内实现波长选择性反馈。非线性放大环镜则作为一种可调的人造非线性传输元件，无需使用真实的材料饱和吸收体即可实现可控的类饱和吸收和类逆饱和吸收传输特性。实验中观察到了多种复杂的脉冲动态现象，包括稳定的周期性脉冲列、高次谐波脉冲列、明暗脉冲对、亮脉冲团以及暗脉冲团。该激光器的有效重复频率可在数百千赫到兆赫范围内调节，产生的谐波阶数可高达32阶。所提出的方案为研究相干反馈随机光纤激光器中的非线性脉冲动力学提供了一个简单灵活的平台，在光谱学、光通信以及光纤传感领域具有潜在应用价值。

章节节选

实验原理与结构

图1展示了采用非线性放大环镜和随机相移光纤布拉格光栅的随机光纤激光器的实验装置示意图。该激光器由一颗最大输出功率为350 mW的980纳米激光二极管通过980/1550纳米波分复用器进行泵浦。作为增益介质的是一根长度为7米、掺杂浓度为4000 ppm的铒掺杂光纤，其芯径为6微米，包层直径为125微米。

周期性脉冲列与高次谐波脉冲列的产生

经过大量实验优化后，我们发现启动稳定脉冲输出所需的最低泵浦功率和最低半导体光学放大器驱动电流分别约为122 mW和140 mA。当泵浦功率提升到330 mW，半导体光学放大器驱动电流设置为150 mA时，通过调节偏振控制器就可以生成稳定的周期性脉冲列，该控制器能够有效改变腔内损耗和非线性干涉条件。

在这些条件下

结论

在本研究中，我们通过实验展示了一种基于非线性放大环镜和随机相移光纤布拉格光栅的随机光纤激光器，该激光器能够生成稳定的周期性脉冲列和高次谐波脉冲列。随机相移光纤布拉格光栅能够提供带宽约为87.5纳米（1526.6–1614.1纳米）的宽带相干随机反馈，而非线性放大环镜则能够引入与强度相关的非线性干涉效应，从而实现对腔内特性的灵活控制

作者贡献说明

Rupeng Li：文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿编写。Ailing Zhang：文章撰写——审阅与编辑。Chunqi Chen：文章撰写——审阅与编辑。Honggang Pan：文章撰写——审阅与编辑。Zihong Zhao：文章撰写——审阅与编辑。Yichen Li：文章撰写——审阅与编辑。Bin Li：文章撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。