光纤激光器耗散暗孤子动力学特性研究

As a special form of light field, dark soliton is of great importance in the basic research of physics and optical soliton communication. In this project, we propose a novel method of stable dark solitons emission from fiber lasers, by which dark solitons could be formed in the resonant fiber lasers under the conditions of the intrinsic periodical boundary conditions and negative optical feedback. On the basis of the results of the dynamical model, numerical simulation and experimental investigation, we would conclude the rules of dark solitons generation, amplification, evolution, and interactions in the fiber lasers. We will study the influences of the system’s parameters on the dark solitons, and develop the dark solitons formation technique to generate controllable dark pulses. Finally, novel fiber lasers would be constructed with stable dark solitons emission. Such investigations not only can develop new techniques generating ultrashort laser pulses and optical solitons, which is of great value for the academic research, but also can support the theoretical and experimental guidelines for the novel fiber lasers generating dark solitons.

暗孤子作为光场的一种特殊形式，在物理基础研究及光孤子通信领域具有重要的应用和科研价值。本课题以探索新型暗孤子光纤激光器系统为牵引，提出直接产生暗光孤子的技术方案：在谐振运转的光纤激光器中，利用其本征的周期性边界条件及负反馈控制技术形成稳定的暗孤子脉冲。围绕该方案开展耗散暗孤子的动力学模型、数值分析、实验特性研究，通过理论和实验研究揭示耗散暗孤子产生、放大、演化、孤子间相互作用规律。重点探索光纤激光器参数选择及系统设计对于暗孤子特性的影响，形成暗孤子参数可调的技术方案，建立稳定可靠的暗孤子光纤激光系统。该研究不仅能开拓超短脉冲激光技术及光孤子研究的新领域，具有重要的学术研究价值，同时将为新型暗孤子激光器的设计及性能优化提供实验依据和理论指导。

光孤子传输不变形的特点决定了其在光纤通信领域有着重要的应用前景，是实现超长距离大容量通信的重要手段。作为光信息载体，孤子源技术是实现超高速光孤子通信的关键。在光纤中存在两种形式的孤子脉冲：亮孤子和暗孤子，与亮孤子相比，在有噪声的情况下暗孤子的传输更加稳定，受光纤损耗时其脉冲展宽得更慢。同时，影响亮孤子应用的许多其他因素，如放大器的定时抖动及脉冲内拉曼散射等，对暗孤子的影响也更小。限于暗孤子产生技术、测量方法的限制，暗孤子激光光源在过去并没有得到系统地研究和应用，暗孤子的理论特性及应用研究远远落后于亮孤子激光技术。如何开拓新的暗孤子产生技术，深入研究其动力学特性及其在光孤子通信领域的应用技术，是目前光孤子领域的主要发展方向。.本项目采用光纤激光器直接振荡产生暗孤子脉冲的技术方式，通过优化光纤激光器参量，实现稳定的暗脉冲序列输出，通过理论和实验揭示更加清晰的光孤子动力学特性。主要研究结果为：.（1）实验研究了正色散掺镱光纤激光器在不存在光隔离器的工作环境下，光孤子的单向与双向相互作用，光纤激光器在无隔离器情况下仍然能实现单向运转稳定脉冲输出。 .（2）实验室分析中正色散光纤激光器中耗散孤子共振型脉冲的特性，其脉冲顶部平坦的时域分布，且能保持较高的功率水平，该类型的背景脉冲是暗孤子形成的良好前提。实验观测到该类型脉冲具有明显的双啁啾分布特性。同时，实验分析了光纤激光器孤子演化过程中光谱边带的形成机理，系统分析系统参量与连带位置的关系。.（3）数值分析了耗散孤子束缚态的演化传输机理，双孤子束缚态下其中间的功率凹陷可以认为是一个稳定的暗孤子脉冲。研究表明泵浦强度的变化将导致耗散孤子脉冲域间距的变化，同时时间宽度的变化也会在某一点位置发生相位的突变。实验研究了耗散孤子的放大特性，分析了种子源与放大器系统中波长的失谐特性对于耗散孤子脉冲具有重要的影响。