導讀

2024年10月9日，西北工業大學毛東教授、趙建林教授團隊報道了全光纖激光器中的條紋孤子。研究人員利用保偏光纖調控兩正交偏振模式之間的耦合特性，成功在近零色散光纖激光器中實現了啁啾和調制周期可控的條紋孤子。研究成果以“Stripe Soliton in All-Fiber Lasers”為題發表在國際知名學術期刊《Laser & Photonics Reviews》上。

研究背景

近期，研究人員通過將光纖激光器色散調至近零區域，在腔內了實現不同波長孤子的同步。受增益競爭效應的影響，該激光器中只能產生雙波長同步鎖模脈沖，更多波長的同步鎖模難以實現。此外，人們利用可編程脈沖整形器進行群延遲調制，在光纖激光器中實現了多波長同步鎖模。但是該方法破壞了激光器的全光纖結構，并引入額外的損耗和色散。與超冷原子系統中的條紋孤子類似，光纖激光器中的多波長同步鎖模脈沖在時域上具有條紋結構，并且二者均可用非線性薛定諤方程進行描述，因此，可將多波長同步鎖模脈沖視為時域條紋孤子。

研究亮點

（1）啁啾特性可控條紋孤子

本工作中，研究人員搭建的雙折射管理光纖激光器包含單模-保偏-單模光纖結構（圖1(a)），其在條紋孤子的形成過程中起著關鍵作用。當具有線性偏振的脈沖（u0）從單模光纖進入保偏光纖時，兩正交偏振分量的特性取決于入射光偏振方向和保偏光纖慢軸之間的夾角θ（圖1(b)）。在保偏光纖中，由于慢軸(us)和慢軸(uf)分量的強度和傳播速度不相等，二者傳播時會累積相位差Δφ。當脈沖從保偏光纖進入之后的單模光纖時，us和uf分量耦合至ux和uy分量，其耦合行為取決于保偏光纖和單模光纖二者的慢軸之間的角度a。對于固定的耦合角θ和a，每個分量的強度只取決于相位差Δφ，并且光譜周期Δλ=λ2/ΔnL，可通過保偏光纖長度L進行調控。

圖1 (a)光纖激光器結構圖；(b)脈沖在單模-保偏-單模光纖中的耦合行為。

當入射光的偏振方向偏離保偏光纖的主軸時，光纖激光器可以產生大啁啾條紋孤子。光譜包含6個峰，其中兩主峰的中心波長分別為1553.7 nm和1559.2 nm（圖2(a)）。側峰強度與主峰強度相差約10 dB，遠未達到鎖模脈沖的形成閾值，因此，其是由四波混頻效應誘導產生的。條紋孤子的自相關曲線整體呈現高斯型輪廓，內部具有穩定的條紋結構，相鄰峰之間的間距固定不變，表明不同波長的孤子實現了時域同步并發生干涉（圖2(b)）。脈沖形狀顯示相鄰條紋之間的間隔為1.5 ps，與光譜間距（5.54 nm）相對應（圖2(c), (d)）。利用帶通濾波器分別將兩個中心光譜在腔外濾出，其自相關曲線均具有高斯型輪廓，不包含任何調制或子脈沖（圖2(e), (f)）。濾波前后脈沖的時間帶寬積幾乎相同，均為7.6，意味著它們具有強烈的啁啾。

圖2 大啁啾條紋孤子：(a)光譜；(b)自相關曲線；(c)測量（上半部分）和重構（下半部分）的時頻圖；(d)脈沖形狀；濾波后的(e)光譜和(f)自相關曲線。

通過將一段0.2 m長的單模光纖加入光纖激光器，使腔的凈色散從4.4×10-3 ps2降低至零附近，激光器可輸出近零啁啾條紋孤子。其光譜包括四個峰，單個光譜具有三角形輪廓（圖3(a)）。擬合得出脈沖的持續時間為2.5 ps（圖3(b)），包絡中相鄰子脈沖的間隔為1.4 ps，對應0.71 THz的脈沖重復頻率(圖3(c), (d)）。濾波后兩脈沖的寬度分別為2.5 ps和2.6 ps，對應時間帶寬積均為0.32，進一步驗證了條紋孤子的近零啁啾特性（圖3(e), (f)）。

圖3 近零啁啾條紋孤子：(a)光譜；(b)自相關曲線；(c)測量（上半部分）和重構（下半部分）的時頻圖；(d)脈沖形狀；濾波后的(e)光譜和(f)自相關曲線。

（2）條紋孤子形成機理

利用耦合金茲堡-朗道方程組進行數值模擬，進一步研究了條紋孤子在連續三圈內的光譜演化過程（圖4(a)）。受兩個矢量模式之間的模式耦合和干涉影響，經過第一圈的保偏光纖后，兩偏振分量的光譜產生了間距為5.63 nm的調制條紋（圖4(b)中的Ⅱ）。此時，兩個正交偏振分量光譜強度互補，總光譜無任何調制。然后，經過第二圈的保偏光纖后，兩分量再一次經歷了模式耦合，分量的光譜上形成了新的調制峰（圖4(b)中的Ⅳ）。此時，兩個分量的間距從2.82 nm減小為1.41 nm，總光譜出現輕微的調制。接下來，脈沖傳輸至第三圈保偏光纖處，兩分量的間距進一步減小至1.02 nm，總光譜形成清晰的多峰結構。

圖4 條紋孤子的腔內演化特性：(a)光譜的演化；(b)圖(a)中I、II、III、IV、V和VI位置處的光譜。

從上述分析可得，在條紋孤子的形成過程中，除了保偏光纖引起的模式耦合和干涉外，交叉相位調制效應導致兩個正交偏振分量之間發生非線性耦合，而自相位調制效應導致每個分量內部的多個峰之間發生非線性耦合。兩種效應均改變光譜的能量分布，并使得兩個分量發生頻移，最終導致總光譜產生調制。

總結與展望

研究人員在近零色散單模-保偏光纖激光器中首次獲得了啁啾和調制周期可控的條紋孤子，發現雙折射誘導的模式耦合效應在兩正交偏振分量中引入了光譜濾波，而非線性效應導致了多峰結構的總光譜，其在時域相干疊加形成條紋孤子。這種條紋孤子具有可調啁啾和太赫茲量級的子脈沖重頻，在差頻太赫茲波產生和材料加工等領域具有重要的應用潛力。

西北工業大學物理科學與技術學院博士生高群和張何澤為該論文共同第一作者。毛東教授為該論文通訊作者，在國家自然科學基金、陜西省杰出青年科學基金、中央高校基本科研業務費等項目支持下，圍繞超快光纖激光時空調控開展了大量前沿基礎研究工作，在NatureCommunications、ScienceAdvances、Light: Science & Applications、Laser & Photonics Reviews等期刊發表第一/通訊作者論文60余篇。

注：文章版權歸原作者所有，本文僅供交流學習之用，如涉及版權等問題，請您告知，我們將及時處理。