Light | 光學克爾腔中的無色散孤子光梳

2023-02-10 17:57

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

光學頻率梳是一種光譜包含一系列等間隔頻率分量的特殊光源，在光通信、激光雷達、光計算、光譜測量、光鐘等領域有著廣闊應用前景?；诳藸柷坏墓忸l梳技術（克爾梳）具有高重頻、低功耗、可芯片級集成等優(yōu)勢，近年來得到人們廣泛關注。

在克爾梳達到低噪聲鎖模狀態(tài)時，諧振腔內形成穩(wěn)定的光學孤子。光孤子是一種行為類似于粒子的局域化電磁波包，其產生的物理機制依賴于線性效應與非線性效應之間的平衡。

近年來，清華大學的薛曉曉與鄭小平研究團隊與普度大學等單位合作，圍繞克爾腔中的孤子動力學與光頻梳技術開展了一系列探索與研究，先后提出了正常色散區(qū)的暗孤子光梳新機制（Nature Photonics 9, 594-600, 2015）、雙腔模式調控與光梳產生新方法（Laser & Photonics Reviews 9, L23-L28, 2015）、二次諧波輔助的相位匹配新機理（Light: Science & Applications 6, e16253, 2017）、高效率孤子光梳新方案（Nature Photonics 13, 616-622, 2019; Laser & Photonics Reviews 11, 1600276, 2017），解決了克爾梳的高可靠性激發(fā)與高效率能量轉換等問題，并推動了克爾梳在微波光子學領域的應用（Journal of Lightwave Technology 36, 2312-2321, 2018; Frontiers of Optoelectronics 2, 238-248, 2016）。

在現(xiàn)有的理論框架下，光場的群速度色散常常被認為是孤子形成的必要條件。然而，色散主導的孤子光梳具有特定的脈沖和光譜形狀，且調控能力有限，不利于實際應用。例如，面向光通信的理想光梳應當具有各梳齒功率均等的矩形光譜，然而反常色散區(qū)的亮孤子光梳形狀一般為雙曲正割，而正常色散區(qū)的暗孤子光梳具有較大的功率起伏，兩者均與理想形狀相差甚遠。

在這篇文章中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種本質上不依賴于色散的新型孤子態(tài)，稱為“無色散孤子”。與常規(guī)孤子不同，無色散孤子在理論上完全不存在色散的情況下也能夠穩(wěn)定存在。他們進一步揭示出無色散孤子的物理本質是自相位調制與光譜濾波效應的本征函數(shù)。本征值實部所對應的損耗隨著濾波階數(shù)的增加而下降，并逐漸逼近于零。當濾波階數(shù)足夠大時，光譜濾波效應與自相位調制之間達到完全平衡，同時參量增益與均勻損耗之間也達到平衡。此時產生的孤子光梳具有極為平坦的光譜，脈沖形狀非常接近于理論上帶寬受限的奈奎斯特脈沖，因此又稱為“奈奎斯特孤子”。

圖1 無色散孤子的物理機理。（a）光譜濾波效應與自相位調制的本征函數(shù)。本征值實部對應的損耗隨著濾波階數(shù)增加而下降。（b）奈奎斯特孤子平衡示意圖。光譜濾波效應與自相位調制之間達到平衡，參量增益與均勻損耗之間達到平衡。

該成果以“Dispersion-less Kerr solitons in spectrally confined optical cavities”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。薛曉曉為本文的第一作者和通訊作者，鄭小平為本文的共同通訊作者，法國Bourgogne Franche-Comté大學的Philippe Grelu為本文的合作作者。

研究人員搭建了光纖環(huán)腔實驗系統(tǒng)，利用可編程光譜整形器精確控制腔內的色散和損耗，并對環(huán)境擾動進行穩(wěn)定反饋控制，最終成功捕獲到了無色散孤子。孤子的脈沖形狀和光譜形狀與理論預測精確吻合。

實驗獲得的奈奎斯特孤子具有接近于理想的矩形光譜，99.6%的功率分布在6 dB 帶寬范圍內，其中包含66,000根梳齒。研究人員同時觀察到了多個孤子緊密聚合在一起而形成的孤子分子結構，以及孤子分子向單孤子脈沖的可控演變過程。

系統(tǒng)的數(shù)值模擬結果表明，奈奎斯特孤子能夠在很大的參數(shù)區(qū)間內穩(wěn)定存在，并且其脈沖能量能夠在保持脈沖寬度和光譜形狀基本不變的前提下持續(xù)提高。

圖2：奈奎斯特孤子分子及其向單孤子的演變。（a）諧振腔內光功率隨著泵浦光頻率的變化曲線。不同的功率臺階對應于腔內不同的孤子狀態(tài)。（b）在標記的3個功率臺階處的孤子脈沖形狀（左）與光譜（右）。藍色：實驗結果；紅色：仿真結果。S6與S3狀態(tài)為孤子分子，其中分別包含6個和3個孤子。S1狀態(tài)為單孤子。孤子分子與單孤子均對應于光譜濾波效應與自相位調制的本征函數(shù)（灰色輪廓）。

總結與展望

在這項工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種光譜濾波效應主導的孤子產生新機制，通過調控諧振腔的色散和損耗實現(xiàn)了對光譜形狀的靈活調控，獲得了具有平坦光譜的奈奎斯特孤子。該研究加深了人們對光孤子形成物理機理的理解，拓展了克爾孤子光梳的研究范式。未來該概念可移植到集成微腔平臺，通過設計周期性光子晶體結構對微腔的色散和濾波特性進行調控，實現(xiàn)具有理想光譜形狀的微型克爾梳。