Manipulating the polarization dynamics in a >10-GHz Er³⁺/Yb³⁺ fiber Fabry-Pérot laser

Abstract

In this work, we report on the vector and scalar soliton dynamics that result from inevitable fiber birefringence in an 8-mm Er3+/Yb3+ fiber based Fabry-Férot (FP) laser that has a free spectral range of up to 12.5 GHz. The generation of polarization-evolving vector solitons can largely degrade the performance of application systems, and the underlying mechanisms and manipulation technologies are yet to be explored. To realize the transition from vector to scalar (linearly polarized) state, we here incorporate the polarization selection effect (PSE) in the simulation model and the numerical results verify that only a small amount of PSE is sufficient for manipulating the soliton dynamics. It also reveals that, prominent polarization-dependent intensity discrimination can be acquired via geometry-induced oblique incidence to the Bragg mirror of the semiconductor saturable absorber mirror (SESAM), and we obtain switchable operating states by tilting the SESAM in the experiments. These efforts create a feasible method to manipulate high-repetition-rate pulse and may shed light on understanding the dissipative soliton dynamics in ultrafast fiber FP lasers.

High-power GHz repetition rate femtosecond fiber laser technology and advanced applications

“…括号内参数为中心波长 Figure 1 (Color online) Progress of ultrafast pulsed lasers with GHz repetition rates. Numbers in the brackets are the central wavelength GHz重复频率被动锁模光纤激光的产生主要涉及环形腔和线性腔结构。在基于环形腔结构的高重复频率 飞秒光纤激光方面，北京大学张志刚教授课题组基于NPR技术开展了大量研究。2011年，该课题组 [30] 通过将 A c c e p t e d https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2024-0191 空间器件和光纤增益介质巧妙集成，成功实现了503 MHz的重复频率飞秒光纤激光。2015年，该课题组 [31] 通 过进一步优化腔内色散管理的集成器件，在环形腔内首次实现了重复频率为1 GHz、脉冲宽度为64 fs的掺镱 飞秒光纤激光。此后，该课题组 [32] 通过"光积木"的方式搭建了类似结构的高重复频率"固态光纤激光器" ， 将GHz重复频率光纤激光器的时间抖动降低至阿秒量级。2023年，上海理工大学袁帅教授课题组 [33] 采用类似 的环形腔结构，通过进一步优化腔内色散管理，直接产生48 fs的超短脉冲，实现了1 GHz基本重复频率的"固 态光纤激光器" 。 这些成果表明NPR技术结合腔内器件优化的方式在GHz重复频率飞秒光纤激光器研究中取得 了显著进展。有别于NPR技术，南方科技大学沈平教授课题组 [34] 设计了一种无隔离器、基于SESAM被动锁模 的环形腔结构， 获得了基本重复频率为1.048 GHz、 脉冲宽度为177 fs的掺镱飞秒光纤激光。 另一方面， 在NALM 光纤激光器中，谐振腔需要一定长度的光纤来积累足够的非线性相移差以实现锁模。因此，目前报道的全光 纤NALM激光器，通常只能实现约200 MHz的基本重复频率 [35] 。直到最近，中国科学院上海光学精密机械研 究所冯衍研究员课题组 [36] 提出了一种嵌套光纤环形腔结构，此结构在NALM内采用由两个光纤耦合器熔接构 成的环形内腔进行模式滤波，通过巧妙地匹配内、外腔的自由光谱范围，将"9"字腔光纤激光器的重复频 率成功倍增至GHz量级，并呈现出高相干、低噪声的特性，为实现GHz基本重复频率的光纤激光器提供了一 种新的有效途径。基于NPR、NOLM/NALM环形腔结构的GHz基本重复频率光纤激光器由于在环形腔内方便 进行精细的色散管理，通常能够实现更低的激光噪声性能。然而，由于环形腔内集成器件(如法拉第旋转器) 的体积受限，因此环形腔结构进一步实现更高重复频率飞秒光纤激光仍有较大挑战。 为了进一步实现大于1 GHz基本重复频率锁模，采用超短线性腔结构是优选技术路线。在基于线性腔结 构的光纤激光器中，超短谐振腔通常由可饱和吸收体、高掺杂浓度增益光纤和高反射率腔镜组成。脉冲的 重 复频率与腔内光纤长度成反比，通过缩短光纤可以有效提高锁模激光的重复频率。这种谐振腔结构为实现高 重复频率锁模激光提供了一种简单而有效的途径。东京大学Yamashita教授课题组利用碳纳米管作为锁模器件 并基于线性谐振腔结构高重复频率光纤激光器进行了一系列研究。2005年，该课题组 [37] 基于2 cm长的法布里 -珀罗(Fabry-Pé rot , FP)谐振腔结构实现了5 GHz亚飞秒锁模脉冲输出。2011年，该课题组 [38] 将1.5 μm波段 的脉冲基本重复频率提升至19.45 GHz，研究了GHz重复频率脉冲产生超连续谱的现象。2014年，该课题组 [39] 基于保偏铒镱共掺光纤，实现了基本重复频率为12 GHz的保偏谐振腔光纤激光器，其光谱中心波长为1535 nm、输出脉宽为2 ps、输出功率为5 mW。除了碳纳米管等可饱和吸收体，SESAM作为一种成熟的商用锁模 器件， 具有使用便捷、 易实现锁模自启动等优势， 受到广泛青睐。 2007年， 美国国家标准与技术研究院Newbury 等人 [40] 基于SESAM锁模在1.54 μm实现了2 GHz基本重复频率的铒镱共掺光纤激光器。2009年，美国麻省理工 学院Kartner教授课题组 [41] 进一步优化了谐振腔结构和铒镱共掺光纤长度，实现了积分范围1 kHz~10 MHz内 时间抖动为48 fs的3.2 GHz锁模脉冲序列。2012年，该课题组 [42] 与华南理工大学杨中民教授团队合作，进一 步在1.0 μm波段获得了3 GHz重复频率飞秒光纤激光输出。为了产生更高重复频率的脉冲，必须充分利用有 源光纤的高增益特性。在过去20多年间，华南理工大学杨中民教授团队一直致力于高增益光纤的研发，特别 是在掺镱、掺铒和掺铥增益光纤方面投入了巨大努力，他们通过采用多组分玻璃作为主体，成功将光纤增益 系数提高到1.0 μm波段5.7 dB/cm [43] 、1.5 μm波段9.13 dB/cm [44] 、2.0 μm波段6.11 dB/cm [45] ，为实现更高重复频 率的超短脉冲提供了激光光纤材料基础。2019年，该课题组 [46] 采用高增益磷酸盐光纤构建谐振腔，成功获得 了基本重复频率约为12.5 GHz的锁模脉冲输出，是在1.0 μm波段全光纤锁模激光器中已报道的最高基本重复 频率。 2022年， 该课题组 [47] 通过调整SESAM的参数和增益光纤的增益系数，并 优化谐振腔结构设计， 将2.0 μm 光纤激光的重复频率提升至11.3 GHz，同样是目前已报道的最高重复频率掺铥光纤激光器，如图2所示。 [44] and Fig. 2 in Ref.…”

“…2 in Ref. [47] 尽管这种GHz重复频率量级的超短线性腔结构紧凑且空间有限，但依然有许多研究者在超短腔设计方面 继续探索，以进一步提升GHz超快激光的性能。在超短腔的腔内色散管理方面，目前已报道了几种方案，如 在腔内采用啁啾光纤布拉格光栅(chirped fiber Bragg grating, CFBG) [48] 、色散补偿光纤(dispersion compensating fiber, DCF) [49] 、色散膜 [50,51] ，以及组合具有不同色散参数的光纤和SESAM [52] 。通过这些色散管理 方式，可以实现更宽光谱、更窄脉冲宽度以及更低噪声性能的GHz光纤激光输出。在激光锁模阈值降低方面， 华南理工大学韦小明教授和杨中民教授团队 [53] 通过拉锥超短激光谐振腔内增益光纤的纤芯直径，分析了锥形 光纤在高重复频率激光谐振腔的导光情况，并通过提高入射到SESAM上的功率密度，将激光器锁模功率阈值 降低了31%，实现了GHz重复频率飞秒激光锁模阈值的有效降低。在抑制锁模偏振不稳定性方面，该团队通 过数值建模和实验观测研究了GHz超短腔内矢量孤子的动力学，并提出了扭转光纤和倾斜SESAM的方法来实 现偏振旋转矢量孤子和线偏振孤子的调控 [44,54] 。2023年，该团队 [55] [56] 使用该方法实 现了重复频率为20 GHz的皮秒脉冲压缩。此外，自相位调制效应和半导体光放大器(semiconductor optical amplifier, SOA)中的交叉增益调制(cross gain modulation, XGM)相互作用，同样能够实现GHz重复频率脉 冲压缩。2010年，Yan等人 [57] 将强度调制的连续光注入SOA中，通过交叉增益调制进行初步的脉冲压缩，随 后注入具有正色散系数的高非线性光纤中，利用自相位调制效应进行脉冲整形，实现了重复频率为10 GHz、 脉冲宽度为1.9 ps的近变换极限脉冲输出。 1.2.2 基于四波混频效应的GHz重复频率激光脉冲压缩 FWM能够通过光参量放大的方式为信号提供参量增益，且信号增益对泵浦功率呈指数依赖关系。因此， 使用正弦调制的连续光作为泵浦光，可以产生比泵浦光脉宽更窄的信号光和闲频光。2001年，Hansryd等人 [58] 使用强度调制后的40 GHz泵浦光与连续光信号在高非线性光纤共同传输500 m后，在信号光(signal)波长与 闲频光(idler)波长处分别产生了脉冲宽度为2和2.5 ps的40 GHz重复频率脉冲序列。通过调节连续光信号的 波长，GHz重复频率脉冲的波长可在超过37 nm的范围下连续调谐。除了对泵浦光进行正弦调制外，对连续 光信号进行调制也能达到类似的效果 [56] 。 在不进行强度调制的情况下，仅用两个连续光产生拍频信号，再通过多重四波混频(multiple FWM)， 也可以压缩GHz重复频率激光脉冲。此方法与基于SPM频谱展宽方法类似。2006年，Pitois等人 [56] 将光谱间隔 20 GHz的两个连续光信号注入7.9 km的负色散单模光纤中压缩，获得了20 GHz的变换极限脉冲。 由于连续光易受到受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering, SBS)的影响，需要采用额外的器件 来提高其阈值 [59] ，如相位调制器。锁模激光器则可以避免这一问题，由于锁模激光器的占空比很低，SBS能 够得到很好的抑制，且通过锁模激光泵浦产生的信号脉冲宽度相较调制的连续光泵浦产生的信号更窄 [60] 。 2023年，华南理工大学韦小明教授和杨中民教授团队 [61] 使用4.6 GHz锁模光纤激光器与连续光信号共同注入 10 m的高非线性光纤中，产生了波长、脉宽可调的4.6 GHz重复频率脉冲信号。通过调节泵浦光的群时延色 散(group delay dispersion, GDD)和连续光信号的波长，实现了598 fs~5.3 ps、1520~1550 nm的脉宽、波长调 谐范围，并对基于连续光诱导下FWM产生的GHz信号的脉冲特性进行了分析。…”

Modulating anti-dark vector solitons

“…In this situation, an optical fiber vector soliton is generated. Generally speaking, commonly observed optical fiber vector solitons can be in the state of group-velocitylocked, polarization-locked, or polarization-rotated [7][8][9][10][11][12][13]. The state of a vector soliton in an ultra-fast fiber laser depends on the soliton parameter conditions, and linear birefringence is an important factor in forming different vector solitons.…”