光折变辅助耗散克尔孤子的自出现

Shuai Wan, Pi-Yu Wang, Rui Ma, Zheng-Yu Wang, Rui Niu, De-Yong He, Guang-Can Guo, Fang Bo, Jun-Qiu Liu and Chun-Hua Dong, Photorefraction‐Assisted Self‐Emergence of Dissipative Kerr Solitons, Laser & Photonics Reviews 18(2): 202300627 (2024).

耗散克尔孤子是由连续波激光器驱动的光学微谐振器中形成的自组织结构。通常被称为“孤子微梳”，它们提供了一条通往宽带、完全相干、芯片级频率梳的新途径，具有小尺寸、小重量和低功耗。与基于商用光纤激光器的频率梳不同，孤子微梳在微波到毫米波域具有重复率。特别是，随着基于许多CMOS兼容材料的超低损耗集成波导制造的进步，基于光子芯片的孤子微梳可以以大体积和低成本制造。与集成光子学的融合激活了孤子微梳技术，并加速了其在系统级应用中的更广泛部署，包括电信、天文光谱仪校准、超快测距、神经形态光子计算、微波产生、双梳光谱学、量子密钥分发、频率合成器和光学原子钟。 

该装置的扫描电子显微镜图，如图1a所示。空气包覆微环谐振器的半径为60微米，对应于334 GHz的自由光谱范围。如图1b所示，微环谐振器的横截面为梯形，顶部宽度为1.45微米，蚀刻深度为360 nm，侧壁角度为55°，留下220 nm的铌酸锂板。TE模式的透射光谱，如图1c所示，其中可以观察到基本TE₀₀模式和高阶TE₁₀模式。图1d显示了1560.6 nm处的TE₀₀共振。谐振呈现出模式分裂轮廓，这通常由谐振器的粗糙度引起。双峰模型用于拟合谐振（红色曲线），显示线宽为260 MHz，对应于负载Q=7.83×10⁵。

反常的微谐振器色散是孤子形成的必要条件。基于实际器件几何形状通过数值模拟获得的集成微谐振器色散D_int，如图1e所示。两个相位匹配点，即模拟曲线上约160 THz和240 THz处的D_int=0，表示色散波的发射，可以相干地扩展孤子光谱带宽。图1中的点显示了测量点，其中红色（橙色）点表示分裂共振的较高（较低）频率骤降。实验结果与模拟曲线一致。图1显示了模拟光学模态轮廓。

如图2a所示，泵浦激光器采用可调谐激光器，其功率由铒放大掺杂光纤放大器（EDFA）。然后，放大的光通过光纤偏振控制器（FPC）调节偏振，光的偏振态与波导的TE模式相匹配并最终通过透镜光纤发射到芯片上。这个光纤到芯片的耦合损耗约为每个面6 dB。这个输出光被另一根透镜光纤收集并分成三个部分。45%的光被送入光谱分析仪（OSA）以表征微宇宙光谱。光电探测器（PD1）记录了10%的光，以监测泵浦光的透射光谱剩余的光穿过光纤布拉格光栅（FBG）衰减泵组件和传感器的功率由另一个光电探测器（PD2）记录以分别监测梳状功率和测量低频噪声谱。耦合到芯片的泵浦功率为600 mW，而片上泵浦功率约为150 mW。由于铌酸锂的光折变效应，孤子态的双向切换可行，如图2b、c所示。在1560.6 nm附近的共振模中，孤子功率显示出一系列离散的台阶，表明孤子数量逐渐变化。腔内孤子数可以从台阶高度推断出来。因此，具有不同数量的孤子态可以通过简单的激光频率调谐到相应的孤子阶跃来确定地访问。图2d显示了当泵浦激光停止在孤子阶跃时单孤子态的光谱，这与使用Lugiato的模拟光谱（图2d中的红点线）很好地匹配于预测的D_int曲线的Lefever方程。在1242 nm（≈241 THz）和1851 nm（≈162 THz）处观察到两个色散波，与预测的D_int曲线（紫色曲线）一致。通过增加激光频率，观察到双孤子状态，如图2e所示。随着激光频率进一步增加到共振频率，孤子态坍缩为噪声和混沌状态。这种状态由克尔非线性和拉曼散射协同作用，如图2f所示。图2g-i显示了分辨率带宽为1 kHz的低频噪声谱，对应于图2d-f中的梳状态。图2g，h中延伸到直流的平坦光谱验证了孤子态的相干性质。图2g中的插图显示了单孤子态的模拟时间分布。

接下来，探讨光折变效应对孤子形成的影响。除了能够双向访问孤子状态外，光折变效应还可以有效地扩展孤子的存在范围，如图3a所示。当泵浦激光器被红失谐到共振时，由于铌酸锂微谐振器的慢光折变，共振频率被偏移并锁定到激光频率。这种锁定抑制了有效激光腔失谐的变化，从而扩大了孤子的存在范围。采用弱探针光实时跟踪有效激光腔失谐。如图3b所示，实验中约1560.6 nm处的共振，泵浦激光器的位置由虚线标记的符号表示。

图3c显示了随着泵浦频率逐渐降低，谐振频率和激光腔失谐量的变化。这里将激光频率的间隔设置为125 MHz（≈1 pm），激光频率由波长计测量。获得激光腔失谐的每个值，直到系统稳定。初始激光频率为192.095 THz（≈1560.645 nm），系统处于双孤子状态。随着激光频率的降低，由于光折变效应，共振频率也会降低，如图3c中的红线所示。值得注意的是，谐振频率的偏移率略小于激光频率。因此，随着激光频率的降低，激光腔失谐量逐渐增加。当激光频率降低1.5 GHz时，系统开始在双孤子态和单孤子态之间交替，如图3c蓝框所示。当激光频率降低1.94 GHz时，双孤子态不再存在，系统保持在单孤子态。当激光腔失谐量偏移135MHz时，单孤子态是稳定的。显然，当激光频率降低3.22 GHz时，腔内状态开始在单孤子和非孤子状态之间交替。在泵浦频率降低5.14 GHz之前，腔内功率不再允许孤子形成，系统保持非孤子状态。在这种状态下，由于腔内功率的进一步降低，与孤子状态相比，失谐量显著降低。此外，研究人员还进一步探索了不同泵浦功率下单孤子的稳定存在范围。图3d显示了单孤子态的激光腔失谐随片上泵浦功率增加的变化。不同的颜色表示不同的初始激光腔失谐值。片上泵浦功率从120 mW开始以20 mW的间隔增加。这清楚地表明，激光腔失谐随着片上泵浦功耗的增加而增加，初始失谐值越大，线性失谐变化率越大。我们假设这种现象与光折变效应的饱和行为有关。初始失谐越小，初始腔内功率越高。因此，片上功率增加引起的电场增加较小，导致失谐变化减小。图3e显示了当片上功率在120 mW左右变化，初始失谐量为400 MHz时的梳功率。当片上泵浦功率降至60 mW以下时，梳功率突然降至零，表明单孤子态消失。当泵浦功率增加时，由于光纤到芯片边缘耦合的不稳定性，片上功率将低于预期。根据传输功率，当片上功率达到220 mW时，单孤子状态仍然存在。随着泵功率的不断增加，由于边缘耦合的影响，切屑功率几乎不变。因此，单孤子态至少在60-220 mW之间是稳定的。

如上所述，可以确定地访问单孤子状态，而无需复杂的技术。因此，接下来，使用分布式反馈激光器而不是商用可调谐激光器作为泵浦激光器。通过预设程序通过分布式反馈电流控制激光频率。实验中使用的分布式反馈参数，如图4所示。

实验有两个电流值（270 mA和248 mA），将孤子内的初始波长设置在冷腔模式附近（1560.753 nm）和目标波长（1560.675 nm），如图4a所示。分布式反馈电流在17秒内上升到270 mA，然后，在10秒内下降到248 mA。如图4b所示，这使得泵浦激光器能够通过冷共振模式，并稳定在可以产生稳定单孤子状态的波长。开始时波长曲线上的无序波形是由于小电流不会产生波长计可以检测到的激光信号。对于梳功率，经过短时间的振荡后，它最终稳定在单孤子功率。只要设置了初级电流值，系统始终访问相同的单孤子状态，而不管分布式反馈电流的上升和下降时间。通过反复运行程序，如图4a所示，相同的单孤子状态可以是在没有任何主动控制的情况下反复生成和稳定。稳定单孤子态的光谱，如图4c所示。该系统还可以在两个孤子状态或具有不同分布式反馈电流值的其他孤子状态下运行。