具有机械可调性的单片光纤谐振腔中正交孤子对的共生

Chen-Ye Qin, Jun-Ting Du, Teng Tan, Bing Chang, Kun-Peng Jia, Yu-Pei Liang, Wen-Ting Wang, Yan-Hong Guo, Han-Ding Xia, Shi-Ning Zhu, Yun-Jiang Rao, Zhen-Da Xie and Bai-Cheng Yao, Co-Generation of Orthogonal Soliton Pair in a Monolithic Fiber Resonator with Mechanical Tunability. Laser & Photonics Reviews 17(4): 2200662 (2023).

通过用谐振连续波激光器泵浦光学微腔产生的具有大梳间距和高相干性的耗散克尔孤子自出现以来一直受到人们的关注，并推动了从时频合成、相干通信、光子微波产生、快速信号处理、天文计量、高分辨率传感到量子信息技术等应用领域的多方面进步。特别是，在腔对和单腔中的双梳生成为快速光谱和测距提供了一种紧凑而强大的工具。该技术可以在射频中说明宽带谱，避免了使用具有运动部件和有限光带宽的大型光谱仪。双梳拍频也为超分辨率外差测量提供了独特的频率标准。除了在片上或回音壁模式微谐振器中产生外，孤子微梳还可以在高品质光纤腔中激发，为低损耗光纤系统开辟了平台，这是现代信息网络的基石。

图1a显示了光纤法布里-珀罗单片谐振器中正交偏振双孤子产生的示意图和器件图片。光纤法布里-珀罗谐振腔由一个商业化的高非线性光纤部分（长≈10 cm，芯直径≈4 µm，非线性系数≈10 W⁻¹ km⁻¹）和两个侧面涂层布拉格镜（覆盖C+L波段的反射率>99.5%）组成。这种几何形状支持沿光纤传输的两个正交模族（X和Y），具有轻微的双折射（2×10⁻⁵）。因此，正交偏振中的双孤子生成是可行的。在≈1550 nm波段，X和Y偏振的测量谐振线宽分别为6.03 MHz和4.83 MHz（洛伦兹拟合），如图1b所示。相应地，正交模的品质因子分别为3.2×10⁷和4×10⁷。除了高品质因子外，在1550 nm附近，X偏振模的反常群速度色散仅为≈-3.2 fs² mm⁻¹，Y偏振模的反常群速度色散为≈-34 fs² mm⁻¹，这些参数能够通过使用单瓦功率的连续波激光器在单片谐振腔中产生耗散克尔孤子。两个正交偏振模的双折射率为2×10⁻⁵量级，在冷腔中实现了≈11.75 kHz的自由光谱范围差。

图1c展示了正交偏振双孤子产生的原理和过程。首先，使用掺铒光纤放大器对可调谐外腔单频激光器进行放大，然后，以X偏振耦合到法布里-珀罗光纤单片谐振腔中。随着泵浦激光器逐渐红失谐，推动它进入共振（状态1）。当腔内泵浦激光功率增加到足够高（阈值约130 mW）时，布里渊激光在另一种共振（Y偏振）中被激发，当泵浦激光的频率下移，布里渊频移≈ 9.278 GHz，这主要由二氧化硅材料以及谐振和布里渊增益区（状态2）的重叠决定。注意，在设计中，布里渊增益区域仅在Y偏振谐振上重叠。在状态2中，研究人员展示了泵浦激光和布里渊激光均位于其谐振的蓝色失谐区域的情况。尽管可以生成梳，但它们都不是克尔孤子。泵浦激光的连续红失谐不仅提升了布里渊激光的功率，而且可以将布里渊激光推向更加红移。在状态3中，当泵浦激光和布里渊激光都处于其谐振的红色失谐区域时，现在可以出现双耗散克尔孤子。在这个演化过程中，存在三种波（泵浦、布里渊激光、声波）相互作用。图1d以光谱方式绘制了计算出的双梳演化图，使用虚线框标记了状态1、2和3。当泵浦失谐接近8 MHz时，布里渊激光在Y偏振谐振中被激发。接下来，当泵浦失谐达到16 MHz和20 MHz时，主梳线分别出现在X和Y偏振中。随着泵浦失谐的进一步增加，会产生混沌梳（状态2），在这种情况下，两个梳没有被锁定。最后，一旦泵浦失谐进入红失谐区域，X偏振梳和Y偏振梳都跳入孤子态（状态3）。由于模式间相干交叉相位调制，正交孤子对由于孤子捕获而共享相同的重复。

接下来，研究人员在实验中实现了双孤子的产生。通过以50 GHz s⁻¹的速度从蓝色端到红色端扫描外腔泵浦激光器（约1550 nm），测量了两种偏振下的梳功率迹（图2a），满足图1d中的计算。泵浦驱动梳和布里渊激光驱动梳都从图灵态、混沌态演化到孤子态。这验证了布里渊激光最初是在共振的蓝色失谐区域中产生的。一旦泵浦激光器和布里渊激光进入红失谐区域并形成孤子对，正交偏振脉冲串就会相互束缚。腔的单孤子范围约为2.5MHz。注意，在梳演化过程中，布里渊激光的失谐速度通常比泵浦激光慢。

这种双孤子共生在频域提供了丰富的拍频。在进行外差测量之前，先定量回顾一下双孤子的光学共振和布里渊增益区。布里渊频移是一个固定的数字，由器件的几何形状和材料决定，Ω_B=9.278 GHz，增益带宽为74 MHz（图3a）。要产生布里渊激光，必须确保共振能与布里渊增益带重叠。在图3b中，研究人员展示了X偏振和Y偏振共振的计算光谱，考虑到X偏振模式的原始自由光谱范围为1.001 GHz，而Y偏振模式的自由光谱范围为1.001 GHz-11.75 kHz（由于轻微的双折射）。在谐振器中，共振频率分布在0 Hz到无限频率之间，X和Y共振频率会周期性地重叠。实验中，研究人员抽取了位于193.551358 THz（或1549.977 nm，即第193358次共振）的X偏振共振。基于泵浦频率的布里渊增益区将位于193.54208 THz。这样的增益区域无法与任何X偏振共振重叠：最近的X偏振共振是第193349次共振，位于193.542349 THz。但是，布里渊增益区可以与Y偏振共振（第193351条线，正好在193.54208 THz处）重叠。这就是为什么只能看到在Y偏振下产生的布里渊激光。该图还显示了布里渊频移≈ 9 FSR_X+269 MHz 的物理范式。图3c放大了测量到的光谱，以便观察细节。

这种应力可调性可用于多种应用，例如用于5G通信的可控光微波信号生成和超高灵敏度应力检测。例如，在5G新无线电无线通信标准中，频率范围2- N258涵盖24.25-27.5 GHz，典型的单通道带宽为50 MHz。使用24×f_rep+Δf_ceo线来满足载波频段，这可以通过使用快速光电探测器和电带通滤波器来选择。将应力从0 mN增加到7.33 mN，无线电频率就会从24.293 GHz上升到24.3657 GHz。可调范围超过70 MHz，满足了整个通道的频率校准要求（图4e）。此外，还在此显示了施加应力前后的频率不确定性。对于24×f_rep+Δf_ceo线路，频率不确定性为±400 Hz。

再比如，机械敏感的梳装置也有助于微弱应力的测量（图4f）。当在保持泵浦激光频率的情况下对空腔施加应力时，Δf_PB的变化会使Δf_ceo发生光谱偏移。由于孤子存在的范围有限，传感器的应力测量范围≈0-7.33 mN。为了获得更高的分辨率，Δf_ceo的偏移通过微波发生器进一步向下混合，并通过锁相放大方案进行测试。对于超灵敏测力计来说，这个数字相当大。图4c绘制了梳传感器在力检测方面的线性响应。图4f绘制了当双声道装置处于静止状态以及在单片谐振器上重复添加30 nN时，锁相放大器的输出迹。从该迹获得的测量灵敏度为96.5 mV nN^-1，而该迹的强度不确定性为± 50 mV。可以估计，纳米应力检测极限可接近520 pN且具有100%的可恢复性。此外，研究人员还反复测量了基于应力的反应。在使用同一微蜂窝装置进行的十次独立测试中，获得了高度一致的结果。外部应力的检测极限在0.48-1.92 nN之间，而测量范围则保持在3.14-7.33 mN之间。通常情况下，双溶胶传感器的量程—分辨率比为10⁷。双梳装置的灵敏度和测量范围都比典型的无源光纤力检测器高出几个数量级。

总之，研究人员通过激发腔内布里渊激光器，在单根光纤单片谐振器中产生了一对共锁耗散克尔孤子。这两个孤子是正交偏振的，具有相同的重复频率，但中心波长不同。因此，研究人员获得了稳定的双孤子差频，其重复频率和载流子包络偏移均为射频。由于布里渊缩窄效应，这对孤子显示出极高的相干性。此外，由于谐振器具有柔性，跳动信号可以通过机械方式进行调谐。该装置加深了人们对单片谐振器中双孤子共生和复用的理解，展示了一种新的双梳子控制方案，并为基于微梳的高性能光学应用（如机械可调微波发生和超灵敏应力检测）开辟了道路。