全常态分散光纤激光器耗散明亮孤子和暗孤子的观察

抽象的

本文提出了一种控制激光耗散亮孤子和暗孤子运行的新方法。利用非线性偏振旋转(NPR)技术观察了全正常色散光纤激光器中耗散的明孤子和暗孤子的产生。通过调整偏振器和分析仪的角度，可以得到不同偏振方向的锁模区和非锁模区。数值模拟结果表明，在适当的泵浦功率范围内，锁模区和非锁模区可以同时产生耗散的亮孤子和暗孤子。如果泵浦功率超过这个范围的上限，则只有耗散孤子存在，而如果泵浦功率低于这个范围的下限，则只有暗孤子存在。

1.介绍

随着超快光​​学领域的快速发展，许多研究人员最近一直专注于模式锁定光纤激光[1- - - - - -7]．无源模式锁定的光纤激光器已经显示出与固态系统相比的许多优点，如紧凑的设计，低成本和稳定性[8- - - - - -11]．它还具有一些潜在的应用，如激光加工，光通信，医疗设备，军事等[12- - - - - -14]．当光学非线性的效果通过在腔周围的一个循环之后通过其他过程完全平衡时，在振荡器中稳定超短脉冲。使用最广泛的补偿非线性的方法是群体速度分散（GVD）。传统的孤子是由非线性和负分散相变的平衡形成的。所得孤子无限期地传播而不改变。然而，传统的孤子限制在标准纤维中的0.1 nj [15]．当GVD达到零时，已经形成了分散管理的孤子，这使得能够将脉冲发射，脉冲能量达到1 NJ水平[16]．与传统的孤子和色散管理孤子相比，自相似孤子可以在不发生波破碎的情况下承受强非线性。但由于增益带宽的限制，自相似孤子使能量达到10 nJ能级[17]．耗散孤子(DS)在光纤激光器的发展中引起了极大的兴趣，因为它可以显著提高脉冲的可输出能量，接近甚至超过100 nJ [18，19]并且DS存在于非服务系统中，其动态与常规孤子的动态非常不同[20.- - - - - -22]．具有纯正常GVD(或大正常GVD加上小异常GVD)的光纤激光器可能必须利用锁模脉冲整形中的耗散过程[23- - - - - -25]．

由于暗中孤子生成的难度，暗孤子滞后的暗孤子滞后。然而，当光通信中使用时，暗孤子比明亮的孤子更合适[26]．暗孤子在传播过程中以接近亮孤子一半的速率被扩展，并且在传播过程中暗孤子比亮孤子表现出更大的抵抗扰动的能力。此外，由于背景噪声主要影响暗孤子的背景，暗孤子对背景噪声的敏感度较低[27- - - - - -29]．近年来，文献报道了光纤激光器中暗孤子的形成[30.- - - - - -33]．Zhang等人在全异常色散光纤环形激光器中实验观测到暗孤子[30.]和全常态分散纤维[31]．Tang等人。在无正常色散腔光纤激光器中展示了暗孤子形成，没有腔内的防腐蚀吸收剂[33]．

在本文中，我们提出了一种用于控制耗散明亮孤子和激光暗孤子操作的产生的新方法。实现非线性偏振旋转技术，用于产生模式锁定和非模式锁定区域。在模式锁定和非模式锁定区域中获得耗散孤子和暗孤子。

2.建模

为了研究全正常色散光纤激光器中耗散孤子和暗孤子的特性和动态演化，我们建立了一个包含非线性偏振旋转(NPR)、光谱滤波(SF)等重要物理效应的数值模型。传播模型如图所示1．它由4米掺铒光纤（EDF）和1.8M色散补偿光纤（DCF）组成，偏振添加剂脉冲模式锁定（PAPM）系统由偏振敏感隔离器和两组偏振控制器制成，两季度波动（QWP）和由偏振器制成的半波片（HWP）;一个QWP和HWP构成分析仪。PAPM系统用于产生NPR效应，其依赖于光纤长度在椭圆形偏振状态的强度依赖性旋转。通过适当地设定偏振器的角度和腔的线腔相位延迟，我们可以在PAPM中获得模式锁定的和非模式锁定区域，其中模式锁定区域意味着光强度成反比地成反比丢失和相反的非模式锁定区域。当孤子通过PAPM元素和强度传输传播时，表示为[11］ 在哪里和代表双折射纤维和偏振器（分析仪）的快速轴之间的角度，线性腔相位延迟，，两个偏振方向之间的相位差，和和分别表示光纤的腔长和光的波长。是由自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)引起的非线性相位延迟。，为非线性系数，有效模态面积是多少是光功率。

弱双折射光纤中的脉冲传播可以通过两个耦合的非线性Schrodinger方程（NLSE）进行良好建模。然而，光纤激光器具有在NLSE中的几个相位调制项中不能建模的组件。例如，光纤激光器具有有限增益带宽（BW）和可饱和吸收器（SA）的增益。它们不会引起相位调制，但它们肯定会导致频率和时域中的幅度调制。为了适当地计算激光腔中的幅度调制效果，需要将更多的术语添加到NLSE中。得到的微分方程称为耦合立方Ginzburg-Landau方程（Cling）[34]，显示为 在哪里和沿着纤维的两个正交偏振轴表示光学脉冲的信封，以及是纤维的损失系数。为两偏振模之间的群速度差，代表光纤分散，是激光增益的带宽，和分别表示脉冲本地时间和传播距离描述EDF的增益函数，其表示［2]， 在哪里小信号增益系数，是否与掺杂浓度有关，和为增益饱和能量，与抽运强度相对应[2，34]．脉冲能量是由， 在哪里是空腔往返时间。

3.仿真结果和讨论

使用标准对称分流步骤傅立叶算法来解决该模型。最初的表示任意信号，而初值表示弱连续波（CW）光，其中包含在其顶部的小段滴点;通过适当地调节偏振器（分析仪）的角度和腔的线性腔相位延迟，可以在偏振的不同方向上实现耗散和暗孤子。自饱和能量与泵浦强度成比例[35，这意味着增加与实际系统中增加泵功率相对应。以下参数用于可能匹配实验条件的模拟:，，对于EDF和对于DCF，，，，对于EDF和对于DCF和净腔GVD，，，,当，它能够在光纤激光器中实现耗散和暗孤子。

耗散孤子与暗孤子的形成与演化如图所示2．我们可以发现，耗散孤子脉冲持续时间，脉冲能量和峰值功率分别是一个偏振中的2.96 ps，229.19 pj和89.16W。在其他极化中，我们可以用960 fs产生暗孤子。数字2 (c)和2 (d)显示耗散和暗孤子分开在腔内缠绕500次时保持稳定。根据图2 (d)，我们发现倾角不仅存在于脉冲中心，而且也存在于脉冲边缘，因为在模拟中我们使用有限背景脉冲而不是无限背景脉冲产生暗孤子。数值模拟表明，当背景脉冲宽度为孤子宽度的10倍时，有限和无限背景下的暗孤子的传输特性基本相同，因此可以忽略边缘倾斜。从数据3(一个)和3（b）我们可以观察各个部件对峰值功率和脉冲持续时间的影响。传播EDF后，耗散孤子和暗孤子峰值功率都有增加的趋势。而在脉冲持续时间上，耗散孤子有所增加，而暗孤子保持稳定。当孤子传输到PAPM时，耗散孤子脉冲和暗孤子脉冲的持续时间被迅速压缩，而峰值功率保持不变。在DCF中，与前一个EDF相关的耗散孤子峰值功率先快速增加后缓慢下降，但对脉冲持续时间没有影响。对于暗孤子，DCF中的峰值功率快速增加后保持不变，相同的基本条件对暗孤子脉宽没有影响。这些结果是在．接下来，我们分析了各种对我们系统的影响。

数字4随着增加的增加，展示了耗散和黑暗孤子的变化．数字4（a）反映了耗散孤子脉冲持续时间和峰值功率随时间的增加而增加的概念．当增加到大约980 pj，峰值功率几乎没有变化，而何时达到1560 pj，耗散孤子出现在图中分裂4（c）．如果我们继续增加，耗散孤子将产生一个不稳定的脉冲，这有别于Liu [2]．然而,图4（b）表明暗孤子随耗散孤子的变化而变化;首先，峰值功率随，但暗孤子脉冲持续时间逐渐减小。当峰值功率逐渐减小，最终达到550pj，黑暗的孤子消失在图中4（d）．

数字5（a）和5（b）显示随着的减少，耗散孤子和暗孤子峰值功率均呈下降趋势。而在脉冲持续时间上，暗孤子有所增加，耗散孤子保持稳定。当减少到335 pj，耗散孤子是不稳定的。当小于318 pJ时，不能产生耗散孤子。然后我们得出结论，耗散孤子的产生需要泵浦功率超过一个阈值。当当暗孤子被还原到58pj时，暗孤子是不稳定的，但仍能形成暗孤子。可以发现，获得暗孤子并不需要很高的能量，这意味着黑暗孤子不需要高泵电源。

4。结论

我们提出了一种用于控制耗散明亮孤子和激光暗孤子操作的产生的新颖方法。数值模拟结果表明，在适当的泵浦功率范围内，锁模区和非锁模区可以同时产生耗散的亮孤子和暗孤子。当是高达640 PJ，只能实现耗散孤子，而耗散孤子是不稳定的接近1560 pj，而它不会产生多集成现象[2]．如果我们减少到335 pJ时，只能得到暗孤子。因此，我们得出结论，耗散孤子可以承受较高的泵浦功率，但其产生过程需要较高的阈值，而暗孤子可以在较低的泵浦功率阈值下产生。

利益争夺

作者声明，本论文的发表不存在任何利益冲突。

参考

1. C. Zhao，H. Zhang，X.Qi等，“拓扑绝缘体基于饱和吸收剂的超短脉冲，”应用物理字母，卷。101，没有。21，物品ID 211106,2012。查看在：出版商的网站|谷歌学术
2. X. Liu，“在被动模式锁定光纤激光器中耗散系统的滞后现象和多集成，”物理评论A.第81卷，没有。2、文章编号023811,2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术
3. X. Wu，D. Y. Y. Tang，H. Zhang和L. M. Zhao，“全正常分散铒掺杂光纤激光器”中的“耗散孤子共振”，光学表达第17卷，没有。7, pp. 5580-5584, 2009。查看在：出版商的网站|谷歌学术
4. Y.陈，C. Zhao，S. Chen等，“大能量，波长广泛调谐，拓扑绝缘体Q开关掺铒光纤激光器”IEEE量子电子学专题杂志，卷。20，没有。5，pp。315-322,2014。查看在：出版商的网站|谷歌学术
5. H. Zhang，D. Y. Y. Tang，L. M. Zhao和X. Wu，“观察弱双折射腔纤维激光器中的偏振畴壁孤子”物理评论B.，第80卷，不。5、文章ID 052302, 2009。查看在：出版商的网站|谷歌学术
6. 李道生，唐道生，赵璐，沈道生，“全常态色散光纤激光器中色散孤子共振产生机理，”光波技术学报，卷。33，不。18，pp。3781-3787,2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术
7. D. D. Han，X. M. Liu，Y。崔，G. X. Wang，C. Zeng和L. Yun，“同时从纳米管模式锁定的全纤维激光器输送的皮秒和飞秒孤子，”光学信，卷。39，没有。6，pp。1565-1568,2014。查看在：出版商的网站|谷歌学术
8. X. Li，Y. Wang，W.Zhao等，“孤子分子在被动模式锁定光纤激光器中具有可变分离的数值研究”光学通信，卷。285，没有。6，pp。1356-1361,2012。查看在：出版商的网站|谷歌学术
9. X. Li，X. Liu，X. Hu等，“通过非线性偏振旋转技术锁定光纤激光模式分离孤子对的实验观察”，“光电子与先进材料杂志第13卷，没有。3，页190-195,2011。查看在：谷歌学术
10. W. H. Renninger，A. Chong和F. W. Wise，“全正常色散激光中的自我相似的脉冲演变”，物理评论A.，第82卷，第2期。2、文章编号021805,2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术
11. X. Liu，“高能脉冲发电机制而无波段锁定光纤激光器”，物理评论A.，第82卷，第2期。5，第053808条，2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术
12. B. Guo，Y. Yao，P. G. Yan等人，“双波长孤子模式锁定光纤激光器，具有WS2基纤维锥形”，IEEE Photonics Technology字母，卷。28，不。3，pp。323-326,2016。查看在：出版商的网站|谷歌学术
13. 李晓，王勇，张伟，赵伟，“被动锁模掺镱光纤激光器中孤子分子演化的实验观察”，激光物理快报，卷。11，不。7，2014年物品ID 075103,2014。查看在：出版商的网站|谷歌学术
14. Z.-C.罗，W.-J.Cao，z.-b.林，z.-r.CAI，A.-P.罗和w.-c。Xu，“纤维环激光大持续时间调谐范围的耗散孤子共振脉冲动态”，“光学信，第37卷，no。22, pp. 4777-4779, 2012。查看在：出版商的网站|谷歌学术
15. D. Mao，X. M. Liu，L.R.Wang，X. H. Hu和H. Lu，“局部偏振的波断裂耗散孤子，在锁定光纤激光器中具有超广谱的超广谱”，“激光物理快报第8卷第2期。2，pp。134-138,2011。查看在：出版商的网站|谷歌学术
16. X. Liu，“超大普通腔 - 分散纤维激光器的”耗散孤子演变“，光学表达第17卷，没有。12，pp。9549-9557，2009。查看在：出版商的网站|谷歌学术
17. F.Ö。ilday，J. R. Buckley，W. G. Clark和F. W. Wise，“激光抛物线脉冲的自我相似演变”物理评论信(第92卷第40期)第213902条，2004年。查看在：出版商的网站|谷歌学术
18. W. H. Reninger，A. Chong和F. W. Wise，“正常分散纤维激光器中的耗散孤子：复杂的Ginzburg-Landau方程的精确脉冲解决方案”玻璃波导中的布拉格光栅、光敏性和极化研究进展2007年9月，加拿大魁北克市。查看在：谷歌学术
19. H. Zhang，D. Y. Y. Tang，L. M. Zhao，Q.1. L. Bao和K。LoH，“带有原子层石墨烯的铒掺杂光纤激光的大能模式锁定”光学表达第17卷，没有。20，pp。17630-17635,2009。查看在：出版商的网站|谷歌学术
20. 李晓霞，王勇，赵伟等，“全光纤耗散孤子在被动掺镱锁模光纤激光器中的演化”，光子学报，63 (5):771 - 774光波技术学报，第30卷，不。15, Article ID 6204196, pp. 2502-2507, 2012。查看在：出版商的网站|谷歌学术
21. 高b，霍军，吴刚，田晓明，“石墨烯基可饱和吸收体锁模光纤激光器中的孤子分子”激光物理第25卷，没有。7、Article ID 075103, 2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术
22. Z. Wang，S. -e.Zhu，Y. Chen等，“用于掺铒光纤激光器的Q开关模式锁定操作的多层石墨烯”，光学通信，卷。300，pp。17-21，2013。查看在：出版商的网站|谷歌学术
23. X. Li，X. Liu，X. Hu等，“长腔被动模式锁定光纤环激光，具有高能量矩形脉冲，在异常的分散状态下，”光学信，卷。35，不。19，pp。3249-3251，2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术
24. H. Zhang，D. Y. Y. Tang，L. M. Zhao，X. Wu和H. Y.TAM，“在分散管理的腔光纤激光器中的耗散载体孤子”，具有净正腔分散，“光学表达第17卷，没有。2, pp. 455-460, 2009。查看在：出版商的网站|谷歌学术
25. 何旭东，侯磊，李敏等，“单模掺镱光纤激光器中耗散孤子的束缚态”，光子学报，63 (5):771 - 774IEEE光子学》杂志第8卷第2期。2，页1-7,2016。查看在：出版商的网站|谷歌学术
26. 葛永强，罗建龙，李磊等，“正常色散光纤激光器中暗孤子产生的初始条件”，应用光学第54卷，第2期。1，页71-75,2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术
27. 李磊，宋凤英，张海涛等，“暗孤子操作光纤激光器”，《光纤学报》2013年太平洋边缘激光与电光会议论文集(CLEO-PR '13)， WPB_21，美国光学学会，京都，日本，2013。查看在：谷歌学术
28. D. Y. Tang，L. Li，Y.F. Song，L. M. Zhao，H. Zhang和D. Y.F.Shen，Diew Solitons在全正常分散纤维激光器中的黑暗孤子的证据，“物理评论A.第88卷第2期。1、文章编号013849,2013。查看在：出版商的网站|谷歌学术
29. T.P.Horikis和M. J.Ablowitz，“模式锁定激光器中的黑暗孤子的建设性和破坏性扰动”光学学报第17卷，没有。4、Article ID 042001, 2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术
30. 张宏，唐大勇，赵黎明，吴晓明，“一种光纤激光器的暗脉冲发射，”物理评论-原子，分子和光学物理，第80卷，不。4、文章ID 045803, 2009。查看在：出版商的网站|谷歌学术
31. 张宏，唐道勇，赵立民，“光纤环形激光器中的矢量暗域壁孤子”，光学表达，卷。18，不。5，pp.4428-4433，2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术
32. 李海龙，李海龙，杜娟，李晓丽，“自锁模光纤激光器的光孤子对”，光子学报，63(3):457 - 464。光学工程，卷。51，不。6，2012年第064302号。查看在：出版商的网站|谷歌学术
33. D. Tang，J. Guo，Y. Song，H. Zhang，L. Zhao和D. Shen，“黑暗孤子纤维激光器”光学表达第22卷，第2期。16页19831-19837,2014。查看在：出版商的网站|谷歌学术
34. K.-i.Maruno，A. Ankiewicz和N.Akhmediev，“离散的复杂立方 - 五通吉兹堡 - Landau方程”的耗散孤子“物理信，卷。347，没有。4-6，pp。231-240,2005。查看在：出版商的网站|谷歌学术|MathSciNet
35. A. Cabasse，B.Ortaç，G.Martel，A. Lideur和J.Impert，“在被动模式锁定的ER掺杂纤维中的耗散孤子，具有强烈的正常色散，”光学表达，第16卷，第2期。23页，19322-19329,2008。查看在：出版商的网站|谷歌学术

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