全光纤激光器中发现条纹孤子

  导读

2024年10月9日，西北工业大学毛东教授、赵建林教授团队报道了全光纤激光器中的条纹孤子。研究人员利用保偏光纤调控两正交偏振模式之间的耦合特性，成功在近零色散光纤激光器中实现了啁啾和调制周期可控的条纹孤子。研究成果以“Stripe Soliton in All-Fiber Lasers”为题发表在国际知名学术期刊《Laser & Photonics Reviews》上。

    研究背景

    近期，研究人员通过将光纤激光器色散调至近零区域，在腔内了实现不同波长孤子的同步。受增益竞争效应的影响，该激光器中只能产生双波长同步锁模脉冲，更多波长的同步锁模难以实现。此外，人们利用可编程脉冲整形器进行群延迟调制，在光纤激光器中实现了多波长同步锁模。但是该方法破坏了激光器的全光纤结构，并引入额外的损耗和色散。与超冷原子系统中的条纹孤子类似，光纤激光器中的多波长同步锁模脉冲在时域上具有条纹结构，并且二者均可用非线性薛定谔方程进行描述，因此，可将多波长同步锁模脉冲视为时域条纹孤子。

     研究亮点

     （1）啁啾特性可控条纹孤子

     本工作中，研究人员搭建的双折射管理光纤激光器包含单模-保偏-单模光纤结构（图1(a)），其在条纹孤子的形成过程中起着关键作用。当具有线性偏振的脉冲（u0）从单模光纤进入保偏光纤时，两正交偏振分量的特性取决于入射光偏振方向和保偏光纤慢轴之间的夹角θ（图1(b)）。在保偏光纤中，由于慢轴(us)和慢轴(uf)分量的强度和传播速度不相等，二者传播时会累积相位差Δφ。当脉冲从保偏光纤进入之后的单模光纤时，us和uf分量耦合至ux和uy分量，其耦合行为取决于保偏光纤和单模光纤二者的慢轴之间的角度a。对于固定的耦合角θ和a，每个分量的强度只取决于相位差Δφ，并且光谱周期Δλ=λ2/ΔnL，可通过保偏光纤长度L进行调控。

图1 (a)光纤激光器结构图；(b)脉冲在单模-保偏-单模光纤中的耦合行为。

     当入射光的偏振方向偏离保偏光纤的主轴时，光纤激光器可以产生大啁啾条纹孤子。光谱包含6个峰，其中两主峰的中心波长分别为1553.7 nm和1559.2 nm（图2(a)）。侧峰强度与主峰强度相差约10 dB，远未达到锁模脉冲的形成阈值，因此，其是由四波混频效应诱导产生的。条纹孤子的自相关曲线整体呈现高斯型轮廓，内部具有稳定的条纹结构，相邻峰之间的间距固定不变，表明不同波长的孤子实现了时域同步并发生干涉（图2(b)）。脉冲形状显示相邻条纹之间的间隔为1.5 ps，与光谱间距（5.54 nm）相对应（图2(c), (d)）。利用带通滤波器分别将两个中心光谱在腔外滤出，其自相关曲线均具有高斯型轮廓，不包含任何调制或子脉冲（图2(e), (f)）。滤波前后脉冲的时间带宽积几乎相同，均为7.6，意味着它们具有强烈的啁啾。

图2 大啁啾条纹孤子：(a)光谱；(b)自相关曲线；(c)测量（上半部分）和重构（下半部分）的时频图；(d)脉冲形状；滤波后的(e)光谱和(f)自相关曲线。

     通过将一段0.2 m长的单模光纤加入光纤激光器，使腔的净色散从4.4×10-3 ps2降低至零附近，激光器可输出近零啁啾条纹孤子。其光谱包括四个峰，单个光谱具有三角形轮廓（图3(a)）。拟合得出脉冲的持续时间为2.5 ps（图3(b)），包络中相邻子脉冲的间隔为1.4 ps，对应0.71 THz的脉冲重复频率(图3(c), (d)）。滤波后两脉冲的宽度分别为2.5 ps和2.6 ps，对应时间带宽积均为0.32，进一步验证了条纹孤子的近零啁啾特性（图3(e), (f)）。

图3 近零啁啾条纹孤子：(a)光谱；(b)自相关曲线；(c)测量（上半部分）和重构（下半部分）的时频图；(d)脉冲形状；滤波后的(e)光谱和(f)自相关曲线。

     （2）条纹孤子形成机理

     利用耦合金兹堡-朗道方程组进行数值模拟，进一步研究了条纹孤子在连续三圈内的光谱演化过程（图4(a)）。受两个矢量模式之间的模式耦合和干涉影响，经过第一圈的保偏光纤后，两偏振分量的光谱产生了间距为5.63 nm的调制条纹（图4(b)中的Ⅱ）。此时，两个正交偏振分量光谱强度互补，总光谱无任何调制。然后，经过第二圈的保偏光纤后，两分量再一次经历了模式耦合，分量的光谱上形成了新的调制峰（图4(b)中的Ⅳ）。此时，两个分量的间距从2.82 nm减小为1.41 nm，总光谱出现轻微的调制。接下来，脉冲传输至第三圈保偏光纤处，两分量的间距进一步减小至1.02 nm，总光谱形成清晰的多峰结构。

图4 条纹孤子的腔内演化特性：(a)光谱的演化；(b)图(a)中I、II、III、IV、V和VI位置处的光谱。

     从上述分析可得，在条纹孤子的形成过程中，除了保偏光纤引起的模式耦合和干涉外，交叉相位调制效应导致两个正交偏振分量之间发生非线性耦合，而自相位调制效应导致每个分量内部的多个峰之间发生非线性耦合。两种效应均改变光谱的能量分布，并使得两个分量发生频移，最终导致总光谱产生调制。

     总结与展望

     研究人员在近零色散单模-保偏光纤激光器中首次获得了啁啾和调制周期可控的条纹孤子，发现双折射诱导的模式耦合效应在两正交偏振分量中引入了光谱滤波，而非线性效应导致了多峰结构的总光谱，其在时域相干叠加形成条纹孤子。这种条纹孤子具有可调啁啾和太赫兹量级的子脉冲重频，在差频太赫兹波产生和材料加工等领域具有重要的应用潜力。

     西北工业大学物理科学与技术学院博士生高群和张何泽为该论文共同第一作者。毛东教授为该论文通讯作者，在国家自然科学基金、陕西省杰出青年科学基金、中央高校基本科研业务费等项目支持下，围绕超快光纤激光时空调控开展了大量前沿基础研究工作，在NatureCommunications、ScienceAdvances、Light: Science & Applications、Laser & Photonics Reviews等期刊发表第一/通讯作者论文60余篇。

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