改进光纤飞秒激光器技术

色散制约着光纤飞秒激光器的输出质量，因此很有必要研究有效的色散补偿技术。

以下介绍一种降低光纤偏振模色散的方法。在光纤中传输的光信号有两个偏振模式，对于在几何形状、内应力、外应力等诸多方面都具有极佳的圆对称性的光纤，在被认为是“单模”的波长下或者波长范围内的操作实际上支持两个正交偏振模，其中两个偏振模是简并的，以相同的群速度传输，在光纤中传输相同的距离后无时间延迟。

然而，实际中的光纤并不是完全的圆对称，例如几何形状变形的缺陷以及应力非对称性破坏了两个模式的简并度，结果两个偏振模式以不同的传输常数传输，两个偏振模式之间的微分时间延迟称为偏振模色散（PMD），两个偏振模式的传输常数之间的差异称为双折射。对于没有外部微扰的均匀线性双折射光纤，光纤的PMD随光纤长度的增加而线性增加。但是在更长的光纤中，由于外部扰动的存在，随机模式的耦合不可避免地被引入光纤中，并且在统计上PMD随着光纤的增加正比于光纤长度的平方根。

理论结果表明，如果使光信号在两个正交偏振模式之间持续模式耦合，则可以抑制两个偏振模式之间相位延迟的积累，并最终使光纤的PMD下降。模式耦合的频率越高，最终的光纤PMD越小。光纤中的PMD现象引起光纤中传输信号失真，使带宽受到限制，降低了光纤的传输速率。在光纤通信系统中，特别是长距离的传输系统中，这种现象是不期望出现的。

现有技术中，降低PMD的一种方法是在光纤拉制过程中使预制棒旋转，但是旋转导致PMD的减少量正比于旋转速度，这使得该方法仅适合于低速小棒拉制工艺，对于拉丝速率超过800 m/min的工艺而言，旋转预制棒对光纤PMD的降低已无明显效果。

另一种方法在光纤拉制过程中使光纤旋转，形成水平方向旋转的机械波，利用光纤作为介质把这种机械波传递到预制棒在拉丝炉中的软化区，形成塑性形变并固化到拉制的光纤中。这种方法难以去除旋转施加点下游沿光纤传递的弹性扭曲，该扭曲由此积累到缠绕于线轴的光纤上。解决此问题的方法是采用双向旋转，通过改变旋转方向而防止光纤中残余弹性扭曲的积累。目前的光纤生产商普遍采用此种双向旋转光纤的方法降低光纤的PMD，所不同的是使用的旋转函数不同，或者在此基础上的优化使之更适用于各自的生产。

但是，这种双向旋转光纤降低PMD的方法会受到多个问题的影响。

（1）旋转方向的变化对PMD具有有害的影响，在旋转反向区转速较低，造成局部PMD的升高。

（2）这种方法在旋转过程中有加速与减速过程，降低了机械效率，对机械装置有害，并且限制了转速的提高，使PMD不能做到足够小。

（3）采用这种方法生产的光纤，其圆对称性降低。最主要的，目前使用双向旋转的方法制造光纤，其PMD系数为0.04 ps/km1/2，无法满足高速、长距离传输网络的需求。

基于上述问题，我们提出一种降低光纤PMD的方法与相应控制器，通过控制光信号与光纤相互作用在光纤横截面上引入非对称性，无须转动光纤即可在光纤内部引入双折射，能突破现有技术中光纤旋转速度的限制，使光纤PMD能在现有技术水平上降低两个数量级以上，满足高速、长距离传输的需求。

实现方法步骤如下。

（1）控制超快光信号聚焦到光纤内部，形成光斑。

（2）控制光斑和/或光纤，使得光斑在光纤横截面上以一定的速度相对运动，同时控制光纤沿长度方向的运动。

控制器结构包含以下模块。(www.xing528.com)

（1）聚焦控制模块：用于控制超快光信号聚焦到光纤内部，形成光斑。

（2）运动控制模块：用于控制光斑和/或光纤，使得光斑在光纤横截面上以一定的速度相对运动，同时控制光纤沿长度方向的运动。

将超快光信号聚焦到光纤内部，光信号与光纤相互作用在光纤横截面上引入非对称性，在两个正交偏振方向（即n1方向与n2方向）上产生折射率差（双折射）；通过控制聚焦光斑在光纤横截面上的运动轨迹与速度，结合光纤自身沿长度方向的运动，这种双折射沿着光纤长度方向按照特定的轨迹分布，使光纤中所传输的两个正交偏振模式互相耦合，从而达到降低光纤PMD的目的。

除此之外，超高精度高阶色散补偿技术也是一种新型兼有效的色散补偿技术。

飞秒光纤激光器的另一个重要参数是峰值功率，以往通过啁啾脉冲放大（CPA）技术实现了高峰值功率的飞秒激光器，目前新兴的非线性容限放大技术（nonlinearity resilient amplification，NRA）理论上可以实现的功率比CPA技术高两个数量级（见图155.8（a）），而目前的实验结果可达到CPA技术的5倍提升（见图155.8（b））。

图155.8　（a）理论上NRA技术的输出特性；（b）实验上NRA技术的输出特性

飞秒脉冲光纤激光器还有一个重要的参数——脉宽。如何产生脉宽更短的脉冲是飞秒脉冲光纤激光器的重要研究内容。图155.9是实验测得的极短脉冲分布，目前已经报道的数据表明，使用非线性脉冲整形的光纤激光器可调谐脉冲宽度可达到8 fs。

随着飞秒光纤激光器各方面性能参数的提升，系统参数的优化也变得越来越复杂，因此系统参数的优化空间要求新的设计方法和工具，目前引入人工智能（AI）进行系统的自我设计、自动进化和自适应智能激光器，已经具备一些传统设计方法所不能及的优势，比如光谱自动优化（见图155.10）、超低输出噪声（见图155.11）、5 MHz～10 GHz可灵活调节重复率（见图155.12），以及宽工作温度范围（见图155.13）等。

图155.9　一种极短飞秒脉冲

图155.10　（a）传统设计方法得到的光纤飞秒激光器输出光谱；（b）以（a）中的光谱作为原始数据，经过AI优化得到的光谱

图155.11　AI优化得到的超低输出噪声

图155.12　AI优化实现5 MHz～10 GHz可灵活调节重复率

图155.13　AI优化实现宽工作温度范围