所谓自相似脉冲是指入射的一般短光脉冲, 在掺杂三价元素的增益光纤的正色散区域中传输时, 产生了能量放大、功率谱形状相似(称为"自相似")以及具有线性啁啾演化的光脉冲。自相似光脉冲具有三个显著特点:1)自相似演化特性只由入射脉冲的能量和光纤参数决定;2)在高功率传输时, 具有抵御脉冲分裂的能力;3)具有严格的线性啁啾。由于具有严格的线性啁啾和较大的、稳态的能量增益, 所以自相似光脉冲易于进行高效的脉冲整形和压缩, 可以获得高功率、无基座的近似变换极限的飞秒量级光脉冲。因此, 类比于光孤子, 有的学者又将自相似光脉冲称为自相似孤子或自相似子。

与一般光纤激光器不同, 自相似光纤激光器是应用光纤放大器对光信号进行自相似的增益放大, 脉冲时域和频域同时增加, 经过特定的啁啾补偿和滤波压缩后, 得到大能量、高峰值功率和高重复频率的输出超短脉冲的光纤激光器。近十几年来, 欧美、亚太地区国家及中国台湾的研究人员从理论和实验两个方面对光纤放大器中的抛物形自相似光脉冲进行了大量的研究。在国外, 人们在自相似光纤放大器的基础上, 对自相似光纤激光器研究的热点主要集中在掺镱光纤(YDF)或掺铒光纤(EDF)被动锁模的自相似光纤激光器, 而在国内, 相关研究尚未引起足够关注和尚未形成研究规模。

相对于其他固体激光器, 光纤激光器的优点之一是腔形结构简单, 体积紧凑。大量的研究表明:在光纤放大器具有正群速度色散(GVD)区域的增益光纤的增益带宽以内, 采用增益参数纵向恒定分布、纵向指数分布、光纤的受激拉曼效应、色散渐减光纤、光纤布拉格光纤光栅以及光纤光子晶体等, 都可以实现输入脉冲的自相似演化。

基于自相似光脉冲的优良特性, 借助于光纤放大器中产生自相似脉冲的方法, 2004 年, F. Ilday 等最早提出了自相似脉冲光纤激光器的设计原理, 他们根据色散管理孤子的传输原理, 用掺Yb 光纤放大器的原理设计了自相似光纤激光器的原理, 并且进行了初步的实验, 由于缺乏有效的脉冲滤波整形和明确的锁模方法, 所产生的并不是严格意义的自相似脉冲, 实际上是色散管理孤子的脉冲。随后, F . .Ilday 等对钛宝石激光器产生自相似脉冲激光的可能性进行了理论上的分析。

2005 年,C .Finot 等用全光器件设计的自相似脉冲激光器, 但是其结构、元件较为复杂。因此, 由光纤脉冲放大器过渡到自相似光纤激光器的一个难点是让带有啁啾的自相似脉冲必须具备周期性反馈条件, 使脉冲能够在谐振腔内周而复始地演化, 以满足锁模和选频条件, 所以, 原来的光纤放大器只能作为激光器谐振腔的能量增益部分, 还必须设置脉冲整形的啁啾补偿元件, 为此自相似脉冲激光器应当具有4 个主要部分构成:

1)一段具有正GVD 光纤放大器作为激光器的增益介质, 提供自相似脉冲演化的主体, 这一部分必须在自相似脉冲中心波长及其附近具有正的二阶色散, 而且其非线性效应以及高阶效应要足够小,具有足够的带宽;

2)一个特定中心波长和具有一定带宽的啁啾滤波器, 其为自相似脉冲进行整形(解啁啾);

3)一段饱和吸收体(SA)或者偏振控制器(PC)为激光器提供锁模, 或者使用其他锁模元件;

4)一段具有负GVD 的单模光纤(SMF)与耦合器连接, 其与正GVD 的增益光纤进行有效地耦合, 为激光器提供反馈, 同时提供稳定的激光输出通道。

此外, 还有抽运源、输入波分复用耦合器、输出波分复用(WDM)耦合器、单向隔离器和连接光纤以及和其他特种光纤(比如, 保偏光纤、色散补偿光纤等)。

自相似脉冲光纤激光器结构决定了激光器的锁模机制和锁模器件的类型。激光器的锁模类型主要有主动锁模(比如, 内置附加环形镜锁模、内置声光、电光调制器锁模、外逆向抽运交叉相位调制锁模等)、被动锁模(比如, 偏振旋转锁模、增益饱和吸收锁模、半导体饱和吸收锁模等)、主被动混合锁模和被动加成锁模。目前研究的自相似脉冲光纤激光器的锁模方法主要是采用被动锁模方式, 常用的是非线性偏振旋转演化(NPE)方法和半导体饱和吸收镜(SESAM)。

自相似光纤激光器标量孤子脉冲的数学表征

自相似光纤激光器是应用光纤放大器对光信号进行自相似脉冲增益放大的, 其光脉冲的抛物形自相似演化的数学表征问题, 最初在2000 年由V .I .Krug lov 等[ 14] , 首先假定增益光纤介质带宽大于脉冲啁啾带宽的理想情况下, 采用非线性薛定谔方程(NLS E), 描述了光纤放大器具有正色散区域的脉冲自相似演化的理论特性。此后, 国内外研究自相似脉冲演化特性的解析分析、数值计算以及对实验结果的析, 大部分沿用了V .I .Kruglo v 等的方法。

最新研究的典型环形谐振腔自相似光纤激光器有:孤子-自相似子光纤激光器;耗散孤子自相似全正二阶色散光纤激光器;全光纤环拉曼抛物自相似脉冲激光器;自相似矢量孤子光纤激光器;G raphene 锁模自相似光纤激光器等。以下简要描述这些激光器腔型结构、动力学机制、锁模方法和实验结果。

2010 年,B .Oktem 等研究的最新的"孤子-自相似子"光纤激光器是单环腔, 采用非线性偏转演化被动锁模方法, 其实验装置如图3 所示, 其中QWP 是1/4 波片, PBS 是偏振分束器。

2010 年,W .H .Renning er 等研究了单环腔"全正二阶色散自相似光纤激光器"的特性, 即ANDi 光纤激光器, 其结构由三大主要部分构成:增益光纤(掺Yb 光纤)、NPE 锁模元件和光栅滤波器。该装置的最大特点是不采用负GVD 的色散补偿光纤对自相似进行整形, 而是用负啁啾函数的光栅对自相似啁啾脉冲进行滤波, 从而减少了非线性效应和高阶效应对脉冲演化的影响。

他们首先采用的单模保偏光纤, 在忽略偏振模色散(线性偏振)效应而仅仅考虑自相似脉冲演化非线性偏振分量的耦合作用的条件下, 运用耦合的N LSE 进行表征和数值计算所示。在5 m 长的增益介质演化过程中, 脉冲功率谱趋于自相似抛物线包络.但是, 他们的研究结论没有指出由于脉冲功率变化可能引起的正交偏振分量的耦合效应(比如,交叉相位调制)或者不出现耦合效应时脉冲的阈值, 这两个问题都是大功率自相似光纤激光器运行中不可回避的实际问题。

为了研究自相似光纤激光器重复频率的稳定性问题,Wei-Wei Hsiang 等把一个掺Yb 单环形腔自相似光纤激光器(其二阶色散为+0 .068 ps2)和一个掺Er 单环形腔自相似光纤激光器(其二阶色散为-0 .182 ps2)通过波分复用耦合器耦合成双环形腔自相似光纤激光器。其中M2 为半反射镜,GP 是光栅对压缩器。

两个单环形腔各自采用偏振控制加成锁模P-APM方式实现锁模, 双环形腔依赖两个单环激光器脉冲的交叉相位效应实现锁模。通过测量双脉冲序列的重复频率, 实验结果发现:双环形腔的交叉相位锁模与两个单环形偏振加成锁模可以同时实现, 获得了稳定重复频率的双波长输出。掺Yb 单环形腔锁模激光脉冲的中心波长在1035 nm(其二阶色散约为+0 .068 ps2), 从5 %输出耦合器输出的脉冲的频谱如图9(a)所示, 在频谱的中心附近是抛物形状, 前后沿非常陡, 可以判断081409-748 , 081409是脉冲自相似演化的结果, 其中的小插图是通过偏振分束器输出5 %的自相似激光脉冲的频谱, 所需要补偿的啁啾量约为-0 .182 ps2 , 补偿整形后的脉冲宽度约为3 ps 。通过调节腔内光纤长度和波片的方位, 掺Er单环形腔也同步实现了脉冲锁模, 掺Er 光纤长度是该腔单模光纤的1/3 , 但是由于掺Er 光纤对于1560 nm中心波长的脉冲应当具有负的二阶色散, 所以, 脉冲在腔内进行的是呼吸孤子(又称为拉伸孤子)脉冲演化,形成耗散孤子, 其频谱形状如图9(b)所示, 其中的小插图是由该腔内PBS 输出5 %的耗散孤子激光脉冲的频谱。两种波长同步输出, 形成相同重复频率的双波长激光脉冲的稳定输出。

如果继续增加抽运功率, 实验发现, 双波长激光脉冲会发生相互"碰撞"作用, 形成有边带结构、中心波长约为1550 nm 激光脉冲, 其产生的物理机制需要做进一步研究。但是, 该激光器的实验没有给出输出脉冲的能量、脉宽以及峰值功率, 也没有给出具体的重复频率值。

由于人们对腔内GVD 的大小和正负缺乏准确地测量, 对结果的理解和对实验结论的解释缺乏一致性;同时, 其输出脉冲的能量、脉宽和峰值功率, 以及重复率大小与实际应用还有一定的距离。

把耗散孤子光纤激光器归类为自相似光纤激光器, 是因为其信号脉冲的增益过程实际上是自相似演化过程, 即脉冲的能量增益阶段是在正的二阶色散区域完成的---自相似演化, 该自相似脉冲继续传输到腔内的负色散区域后, 自动进行了整形(可能使输出频谱偏离了自相似脉冲的频谱特征)。由于腔内各种复杂参数(已知的和未知的)的作用, 整形后的脉冲特性与自相似脉冲、耗散孤子脉冲、色散管理孤子等有很大的差别。2010 年, Liu Xueming采用18 m 长的掺Er 光纤和双偏振控制器的加成锁模单环形腔耗散孤子---自相似光纤激光器的特性。

通过研究，光孤子通信取得了突破性进展。光纤放大器的应用对孤子放大和传输非常有利，它使孤子通信的梦想推进到实际开发阶段。光孤子在光纤中的传输过程需要解决如下问题:光纤损耗对光孤子传输的影响，光孤子之间的相互作用，高阶色散效应对光孤子传输的影响以及单模光纤中的双折射现象等。由此需要涉及到的技术主要有:

研究光孤子通信系统的一项重要任务就是评价光孤子沿光纤传输的演化情况。研究特定光纤参数条件下光孤子传输的有效距离，由此确定能量补充的中继距离，这样的研究不但为光孤子通信系统的设计提供数据，而且通常导致新型光纤的产生。

光孤子源是实现超高速光孤子通信的关键。根据理论分析，只有当输出的光脉冲为严格的双曲正割形，且振幅满足一定条件时，光孤子才能在光纤中稳定地传输，研究和开发的光孤子源种类繁多，有拉曼孤子激光器、参量孤子激光器、掺饵光纤孤子激光器、增益开关半导体孤子激光器和锁模半导体孤子激光器等。现在的光孤子通信试验系统大多采用体积小、重复频率高的增益开关DFB半导体激光器或锁模半导体激光器作光孤子源。它们的输出光脉冲是高斯形的，且功率较小，但经光纤放大器放大后，可获得足以形成光孤子传输的峰值功率。理论和实验均已证明光孤子传输对波形要求并不严格。高斯光脉冲在色散光纤中传输时，由于非线性自相位调制与色散效应共同作用，光脉冲中心部分可逐渐演化为双曲正割形。

全光孤子放大器对光信号可以直接放大，避免了传统光通信系统中光/电、电/光的转换模式。它既可作为光端机的前置放大器，又可作为全光中继器，是光孤子通信系统极为重要的器件。实际上，光孤子在光纤的传播过程中，不可避免地存在着损耗。不过光纤的损耗只降低孤子的脉冲幅度，并不改变孤子的形状，因此，补偿这些损耗成为光孤子传输的关键技术之一。有两种补偿孤子能量的方法，一种是采用分布式的光放大器的方法，即使用受激拉曼散解放大器或分布的掺铒光纤放大器;另一种是集总的光放大器法，即采用掺铒光纤放大器或半导体激光放大器。利用受激拉曼散射效应的光放大器是一种典型的分布式光放大器。其优点是光纤自身成为放大介质，然而石英光纤中的受激拉曼散射增益系数相当小，这意味着需要高功率的激光器作为光纤中产生受激拉曼散射的泵浦源，此外，这种放大器还存在着一定的噪声。集总放大方法是通过掺铒光纤放大器实现的，其稳定性已得到理论和试验的证明，成为当前孤子通信的主要放大方法。光放大被认为是全光孤子通信的核心问题。

在设计全光开关时，采用光孤子脉冲作输入信号可使整个设计达到优化，光孤子开关的最大特点是开关速度快(达10-2s量级)，开关转换率高(达100%)，开关过程中光孤子的形状不发生改变，选择性能好。

在传输速度方面采用超长距离的高速通信，时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大传输距离方面采用重定时，整形，再生技术和减少ASE，光学滤波使传输距离提高到100000公里以上;在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。当然，实际的光孤子通信仍存在许多技术的难题，从已取得的突破性进展使人们相信，光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中，尤其在海底光通信系统中，有着光明的发展前景。