嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜及调制深度提升方法

本发明涉及光纤系统和超快激光，特别涉及一种嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜及调制深度提升方法。

背景技术：

1、各类光纤环形镜(fiber loop mirror,flm)，特别是萨格纳克(sagnac)型的flm，已被广泛应用于非线性光开关、超快时域噪声抑制等领域，成为了一种重要的光纤光学子系统。尤其是作为具有超快响应的人工饱和吸收体(saturable absorber,sa)，这类环形镜已被成功用于光纤激光器的被动锁模。

2、目前应用最为广泛的是非线性光学环形镜(nonlinear optical loop mirror,nolm)及其变形的非线性放大环形镜(nonlinear amplifying loop mirror nalm)。nolm一般是通过非对称光学耦合器来实现，由于耦合器两臂的光功率不同，在光纤环中传输时所导致的非线性相移就不同，当两束光再次返回耦合器时就会因该相移而产生一定的干涉效果。nalm则通过在nolm中引入放大器来进一步提高两光束的功率对比度，甚至可以采用完全对称的耦合器，但放大器仍需采用非对称放置，以便引入足够的非线性相移。

3、然而，由于nolm需要一定的光功率才能引起足够的非线性相移，因此当作为sa用于被动锁模时，低功率下的自启动效果就相对较差。与之相比，实体材料的sa具有较好的自启动特性，但是一般调制深度(modulation depth,md)较小，譬如半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber,sesam)一般<40％。因此，有效地解决sa自启动和md的兼顾兼容性，成为了一个亟待解决的重要问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是：提供一种嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜及调制深度提升方法，用于解决sa自启动和md的兼顾兼容性的问题。

2、本发明采用如下技术方案：一种嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜，包括：光纤耦合器、饱和吸收体和两组相互耦合的光纤臂。

3、所述光纤耦合器两端分别连接两组相互耦合的光纤臂，一端连接第一光纤臂和第二光纤臂，另一端连接第三光纤臂和第四光纤臂。两组相互耦合的光纤臂通过熔融拉锥连接，四支光纤臂基于倏逝场作用实现光耦合。

4、第三光纤臂和第四光纤臂通过熔接连通，构成萨格纳克光纤环形镜。

5、所述饱和吸收体为具有饱和吸收功能的实体材料器件，采用非对称放置，嵌套在第三光纤臂上。

6、优选地，光纤耦合器为2×2熔融拉锥型光纤耦合器。

7、优选地，饱和吸收体为稀土掺杂型光纤。

8、本发明技术方案还包括：一种嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜调制深度提升方法，应用于上述任一项所述的光纤环形镜，包括如下步骤：

9、s1、光束沿第一光纤臂输入，经光纤耦合器后分成第一分散光束和第二分散光束；

10、s2、所述第一分散光束沿第三光纤臂经过饱和吸收体吸收后功率下降，成为第三分散光束，第三分散光束逆时针通过萨格纳克光纤环形镜后形成第四分散光束，返回光纤耦合器；

11、s3、所述第二分散光束经第四光纤臂在萨格纳克光纤环形镜中顺时针传输，形成第五分散光束，第五分散光束经饱和吸收体吸收后功率下降，形成第六分散光束返回光纤耦合器，在光纤耦合器处产生非线性相移差用于决定非线性光纤环形镜的调制特性；

12、s4、第四分散光束与第六分散光束在光纤耦合器中发生干涉，从光纤耦合器的另一端分成第七分散光束与第八分散光束，所述第八分散光束从第二光纤臂耦合形成稳态的输出光束。

13、进一步地，第七分散光束与第八分散光束的功率比例取决于第四分散光束与第六分散光束到达光纤耦合器时的产生的非线性相移差满足：

14、

15、其中，γ为光纤臂所用光纤的三阶非线性系数，为逆时针传输的第五分散光束的光功率，p0,c为顺时针传输的第三分散光束的光功率，l为吸收型非线性光纤环形镜的长度。

16、特别地，所述决定了flm的调制特性，由于所嵌套的实体饱和吸收体本身也具有饱和吸收效应，因此具有吸收噪声和提高光强对比度的作用，和实体饱和吸收体的非线性相互作用，可实现比普通sa或普通flm更大的调制深度和更低的噪声水平。

17、输入光束沿第一光纤臂经光纤耦合器进入萨格纳克光纤环形镜，回到光纤耦合器时产生非线性相移差，得到调制后的输出光束，沿第二光纤臂输出。

18、优选地，输入光束由泵浦源产生，泵浦源发出泵浦光，通过波分复用器注入增益光纤，产生信号光作为输入光束。

19、优选地，第二光纤臂通过隔离器连接输出光纤耦合器；所述隔离器只允许单一方向信号光通过，所述输出光纤耦合器包括第一耦合输出光纤臂和第二耦合输出光纤臂。

20、所述波分复用器、增益光纤、隔离器、输出光纤耦合器、光纤耦合器之间通过单模光纤连接，形成光学回路。

21、优选地，所述输出光束沿第二光纤臂输出，经隔离器至光纤耦合器后，经第一耦合输出光纤臂耦合出部分功率，得到激光输出；经输出光纤耦合器后剩余的光功率返回至光纤耦合器，信号光完成一次完整回路振荡，所述信号光经多次振荡后得到稳态的激光输出。

22、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

23、1、本发明嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜与普通nolm相比，可实现更好的自启动效果；与普通实体材料sa相比，可获得更大的md。

24、2、本发明嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜与普通nolm相比，还具有提高脉冲射频(radio frequency,rf)频谱信噪比(signal-to-noise ratio,snr)的作用。

技术特征：

1.一种嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜，其特征在于，包括：光纤耦合器(3)、饱和吸收体(6)和两组相互耦合的光纤臂；

2.根据权利要求1所述的嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜，其特征在于：两组相互耦合的光纤臂通过熔融拉锥连接，四支光纤臂基于倏逝场作用实现光耦合。

3.根据权利要求2所述的嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜，其特征在于：所述光纤耦合器(3)为2×2熔融拉锥型光纤耦合器。

4.根据权利要求2所述的嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜，其特征在于：所述饱和吸收体(6)为稀土掺杂型光纤。

5.一种嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜调制的深度提升方法，应用于权利要求1至4任一项所述的光纤环形镜，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜的调制深度提升方法，其特征在于，第七分散光束(9a)与第八分散光束(9b)的功率比例取决于第四分散光束(8a)与第六分散光束(8b)到达光纤耦合器(3)时的产生的非线性相移差满足：

7.根据权利要求6所述的嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜的调制深度提升方法，其特征在于：所述输入光束(2)由泵浦源(1)产生，泵浦源(1)发出泵浦光，通过波分复用器(14)注入增益光纤(4)，产生信号光(5)作为输入光束。

8.根据权利要求7所述的嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜的调制深度提升方法，其特征在于：第二光纤臂(1b)通过隔离器(8)连接输出光纤耦合器(9)；所述隔离器(8)只允许单一方向信号光通过，所述输出光纤耦合器(9)包括第一耦合输出光纤臂(11)和第二耦合输出光纤臂(13)。

9.根据权利要求8所述的嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜的调制深度提升方法，其特征在于：所述波分复用器(14)、增益光纤(4)、隔离器(8)、输出光纤耦合器(9)、光纤耦合器(3)之间通过单模光纤连接，形成光学回路。

10.根据权利要求8所述的嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜的调制深度提升方法，其特征在于：所述输出光束(7)沿第二光纤臂(1b)输出，经隔离器(8)至光纤耦合器(9)后，经第一耦合输出光纤臂(11)耦合出部分功率，得到激光输出(12)；经输出光纤耦合器(9)后剩余的光功率返回至光纤耦合器(3)，信号光完成一次完整回路振荡，所述信号光经多次振荡后得到稳态的激光输出。

技术总结本发明公开了一种嵌套饱和吸收型非线性光纤环形镜及调制深度提升方法，用于解决SA自启动和MD不能兼顾的问题。饱和吸收型非线性光纤环形镜包括一个光纤耦合器，两端分别连接两组相互耦合的光纤臂，环内嵌套饱和吸收体SA；所述饱和吸收体为具有饱和吸收功能的实体材料器件，采用非对称放置，用以产生非线性相移差；两组相互耦合的光纤臂通过熔融拉锥连接，四支光纤臂基于倏逝场作用实现光耦合。本发明饱和吸收型非线性光纤环形镜与普通NOLM相比，可实现更好的自启动效果，同时具有提高脉冲射频频谱信噪比的作用；与普通实体材料SA相比，可获得更大的MD。技术研发人员：赵俊清,陈业旺,熊贤伟,莫立强,欧阳德钦,刘敏秋,梁德志,于永芹,吴旭,阮双琛受保护的技术使用者：深圳技术大学技术研发日：技术公布日：2024/12/23