前沿 | 增益控制实现耗散孤子的光谱周期加倍和编码

研究背景

      光孤子，是指在光纤中传播的长时间保持原始形态、幅度和速度不变的光脉冲，可以看作以光的形式存在的“能量包”。传统孤子是在非线性与色散效应相互平衡形成的能量局域化的结构，而耗散孤子是在上述平衡的基础上，增加了耗散（损耗）和增益的平衡。耗散孤子不仅在光纤激光器中被观察到，在生物系统、流体动力学和化学中也广泛存在。与参数不变的稳态孤子（能量不随空间和时间发生变化）相比，许多非线性系统也存在参数随着时间突变或者振荡的非稳态孤子，这类非稳态孤子的能量在空间中的分布不变，但随着时间振荡，反之亦然。以锁模激光器为研究平台，研究人员已经观察到诸多非稳态孤子，例如脉动孤子（能量随时间振荡）、孤子分子（同一周期的两个孤子间存在紧密相互作用）、孤子爆炸（高能量孤子分裂成多个低能量孤子的过程）、孤子碰撞和光学怪波等。

      周期加倍分岔，作为一种特殊的脉动孤子状态，是混沌理论中的一个重要概念，它的发生具有两个特点。一是由系统某个参数发生小的变化所导致的系统振荡周期变为原先的2倍；二是通常一旦出现周期加倍，系统的周期随着泵浦增加会持续加倍，最终演变为无周期的混沌状态，因此也常被认为是一种从有序（周期分岔）进入无序（混沌）的典型标志。尽管周期加倍分岔等非稳态孤子的存在很早就被理论计算所预言，但早期光谱仪采集速率慢，难以实时捕捉到快速变化的非稳态孤子。随着时间拉伸-色散傅里叶变换技术的发展，对过渡态、非稳态这种非重复事件的实时高速测量成为现实，这为研究周期加倍分岔孤子、“隐形”脉动孤子、长周期振荡孤子等动力学过程提供了技术工具。

论文导读

      目前为止，有关耗散孤子的周期加倍研究，都局限于自维持的稳定锁模状态。尽管在不同的超快激光器中都观察到了周期加倍的现象，但关于周期加倍的物理起源始终没有定论。尤其是，目前尚未在实验中观察到光谱周期加倍和其他动力学状态之间是否存在自发或者可控的切换过程。

      鉴于此，作者采用全保偏可饱和吸收体锁模的光纤激光器作为研究对象，全保偏设计能有效避免温度、震动等环境变化导致的偏振态扰动干扰锁模。可饱和吸收体锁模原理上仅对入射脉冲能量敏感，便于选取增益作为调控参数精确控制激光器的各种锁模状态。在本文中，香港大学Kenneth K. Y. Wong教授课题组与上海理工大学、华东师范大学合作，首次展示了周期加倍孤子和其他孤子态之间的自发切换、碰撞切换和可控切换，并且展示了可以将周期加倍孤子进行数字编码。相关研究成果于2024年9月26日以“Spectral period doubling and encoding of dissipative optical solitons via gain control”为题发表在 PhotoniX 期刊。

主要研究内容

      本文介绍了一种通过增益控制实现耗散孤子光谱周期加倍和编码的方法。该方法通过采用全保偏可饱和吸收体锁模的光纤激光器作为研究对象，旨在降低环境因素变化对锁模状态的干扰，通过调节泵浦功率实现增益控制，精确操控光纤激光器中各类孤子的产生、切换和编码，尤其是首次实验实现了周期加倍孤子与其他孤子的状态切换与编码。

       研究结果表明：在周期加倍孤子的起源方面，克尔非线性在周期加倍孤子中起到重要的作用，激光器中可饱和吸收体的饱和吸收效应与增益光纤的非线性效应，共同整形使脉冲在相邻两个周期之间具有显著不同的光谱特性，最终形成了光谱周期加倍孤子。在周期加倍的类型和意义方面，本实验观测到的周期加倍孤子具有自稳定特性，并没有像传统孤子一样逐步演变为混沌，而是通过增益调控实现有规律的状态转变和切换。

技术突破

      如图1插图所示，实验系统分别由信号发生器、泵浦激光器、可饱和吸收体、增益光纤和啁啾光纤光栅组成。信号发生器控制泵浦激光器，精确调控泵浦功率；可饱和吸收体、增益光纤和啁啾光纤光栅构成激光谐振腔，输出不同的脉冲锁模状态。采用单模光纤进行色散傅里叶变换，通过高速光电探测器和示波器对锁模状态进行实时监控。随着泵浦功率的增加，输出功率、脉冲能量也随之改变，激光器输出不同锁模状态，大体分为稳态、非稳态和过渡态三大类。其中稳态是指传统的稳定锁模状态，包括稳态单脉冲、双脉冲和三脉冲；非稳态主要是指振荡和周期加倍，按照一个周期内脉冲个数的不同，包括单脉冲振荡、双脉冲振荡，单脉冲周期加倍和双脉冲周期加倍；过渡态是指在特定泵浦功率下，周期加倍和其他状态之间自发转变的过渡状态，本文首次观察到单脉冲和双脉冲存在长周期振荡和周期加倍的自发切换，以及由碰撞导致的周期加倍与长周期振荡的状态改变。

      为了验证周期加倍孤子存在与其他锁模状态之间的自发切换行为，实验中测量了在特定泵浦功率下，激光器在近20000个周期的光谱演变。如图2所示，激光器首先处于长周期振荡孤子状态，表现为能量随时间呈现周期振荡。在7000个周期的位置，激光器的输出状态自发转变到周期加倍孤子，这种状态持续~2000个周期，之后又切换回长周期振荡孤子状态。作者利用数值仿真模拟分析了在特定泵浦功率下，激光器输出脉冲能量、光谱、时域形状和啁啾随着振荡周期的变化，验证了周期加倍孤子存在自发切换行为。之后通过实验研究了双脉冲同步和异步的自发周期加倍孤子，确认了自发周期加倍孤子与特定的泵浦功率紧密相关。

      为进一步验证周期加倍孤子可以通过增益实现精确操控，实验中利用信号发生器，以10 kHz的频率对泵浦功率进行控制，每一个泵浦功率值对应着激光器特定的输出锁模状态，实现了周期加倍与振荡态、复杂态之间的连续切换，可以在一次控制周期内，实现包括单脉冲振荡孤子、两类双脉冲振荡孤子和三脉冲周期加倍等四种非稳态孤子间的切换。全保偏光纤的高稳定腔型结构和泵浦功率的精确操控，保证了周期加倍孤子与其他孤子状态的精确调控。基于此，实验展示了采用两种状态实现ASCII编码的结果。通过双脉冲周期加倍孤子和单脉冲长周期振荡孤子分别代表1和0，对HKU和ABIC进行编码，每个字母由8位构成，时间长度为800 μs，对应kHz量级的编码速率，相比以往通过手动偏振控制实现的编码，本文对应的实验编码速度得到较大提升。这种基于周期加倍孤子的编码方案有望用于大容量全光信息存储。

观点评述

      该研究成功演示了增益控制实现耗散孤子的光谱周期加倍和编码的能力。通过全保偏腔型和可饱和吸收体锁模，有效避免了环境干扰对孤子状态的影响，实现周期加倍孤子的精确操控。通过色散傅里叶变换技术，该研究首次发现了周期加倍孤子在特定泵浦功率下与长周期振荡孤子的自发切换行为，和由非弹性碰撞引起的状态改变。通过调制泵浦功率，实现了周期加倍孤子与其他孤子状态之间的精确可控切换，并展示了利用这种切换实现信息编码的能力。该研究打破了传统认为周期加倍的出现通常会导致混沌演变的固有认知，展现了周期加倍孤子可以被精确操控的可行性。

      未来，该发现有望在理解复杂霍普夫分岔、发展新型混沌激光光源和设计高稳定激光器方面提供帮助，尤其是在复杂非线性光学、大容量全光信息存储、孤子动力学等领域。此外，作者的研究将进一步提升周期加倍孤子的调控速率与稳定性，拓展周期加倍孤子的类型，推进基于周期加倍孤子的应用。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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