1. 导读
1. 导读
近日，上海理工大学与香港大学、香港科学园先进生物医学仪器中心、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，发现周期加倍孤子也能作为一种“准稳态”孤子长期存在，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。
“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可能导致一个月后德州的一场龙卷风”，像蝴蝶效应这种系统微小状态变化导致巨大反应的混沌学概念，在非线性动态系统中还有很多。例如，系统参数小而连续的变化，导致系统本质突然的改变称之为分岔。周期加倍分岔，也称为倍周期分岔，是混沌理论中一个非常重要的概念，是系统从周期窗口（有序）进入混沌（无序）的一种典型方式，通常会依次经过周期1，周期2，…再到混沌。因此，周期加倍是一种临界状态，可以算作是非稳态中的准稳态。这种状态，类似现实世界中新旧阶段交替的时间点，面临的两难选择，在经济、生态学中具有普遍性。
光孤子，是能在光纤中传播的长时间保持形态、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”。光孤子产生于非线性光学系统，以锁模激光器为研究平台，已经观察到各类稳态、准稳态、和混沌态孤子。简单来说，稳态孤子对应着激光器的传统稳定锁模状态，各个脉冲的时域和频域特性完全一样；准稳态孤子种类丰富，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），这些孤子间还存在着各种动态行为，如孤子爆炸、孤子碰撞和光学怪波等。周期加倍分岔作为一种特殊的准稳态脉动孤子，其存在很早被理论计算所预言，但早期光谱仪采集速率慢，难以实时捕捉到快速变化的准稳态孤子。随着时间拉伸-色散傅里叶变换技术的发展，对过渡态、准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、长周期振荡孤子等局域混沌孤子提供了技术工具。
2. 研究内容
2. 研究内容
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。
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，而是能通过增益操控实现有规律的状态转变和切换。
2.1 增益控制实现耗散孤子的光谱周期加倍和编码
图1周期加倍孤子研究实验装置。a激光器装置图及典型孤子状态示意图；b孤子状态、输出功率和脉冲能量随泵浦功率的演变
2.2 单、双脉冲自发周期加倍
图2 通过色散傅里叶变换测量的自发周期加倍。a-d单脉冲自发周期加倍；e-k双脉冲自发周期加倍。
2.3 周期加倍孤子的可控切换和编码
图3基于周期加倍孤子的编码。a通过操控泵浦功率实现编码时对应的色散傅里叶变换光谱；b编码采用字母的ASCII码对照图
3. 总结与展望
3. 总结与展望
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。
——课题组供稿
