暗孤子光纤激光器研究新进展
发布人:江苏省先进激光技术与新兴产业协同创新中心 发布时间:2015-02-26 浏览次数:

江苏师范大学的研究人员通过数值模拟的方法首次揭示了光纤激光器中初始条件对暗孤子脉冲形成的影响,研究结果表明,与暗孤子在光纤中无阈值形成的特性不同,在光纤激光器中暗孤子的生成是受初始条件约束的。不是所有的初始凹陷都可以演变为暗孤子,更为神奇的是初始输入的亮脉冲也有可能演化为暗孤子输出。该研究成果近日发表在《应用光学》(AppliedOptics.2015,54(1),71-77)上。
    
孤子是指在介质中传播时可以保持形状不变的一种特殊的波包。脉冲在光纤激光器中形成时,虽然在激光器内脉冲的性能参数发生周期性变化,但在激光器腔内的固定位置,在稳态时脉冲的性能参数不变,在这个意义上我们将光纤激光器中形成的超短脉冲也称之为“孤子”。脉冲强度高于背景的一般称为“亮脉冲”;脉冲强度低于背景的一般称为“暗脉冲”。对应于激光器的两种基本工作形态:亮脉冲和暗脉冲,在光纤激光器中可以产生亮孤子和暗孤子。由于孤子的传播不变特性和孤子宽度的极窄化(一般孤子宽度可以小于皮秒),孤子通讯一直被认为是下一代通讯系统的首选对象。而暗孤子与亮孤子相比,暗孤子对噪音和光纤传输损耗比较不敏感,因此是光通讯的未来之星。随着对通讯带宽及速率需求的迅猛增长,目前的波分复用技术已经达到一个瓶颈,因此,越来越多的研究者重新对孤子通讯产生兴趣,这也加速了对暗孤子光纤激光器的研究。
   
2009年,新加坡南洋理工大学的研究小组首次在光纤激光器中实现暗脉冲输出(H.Zhangetal.,Phys.Rev.A,80,045803(2009)),2010年美国国家标准技术研究所的StevenT.Cundiff研究组在量子点激光器中观测到稳定的暗脉冲输出,并预言暗脉冲激光的出现将对光通信领域有着重要的影响(M.M.Fengetal.,Opt.Express18,13385-13395(2010))。
   
江苏师范大学的研究小组以掺铒光纤激光器为研究对象,通过数值模拟研究了不同初始脉冲在相同的操作条件下的腔内演变过程。研究结果表明暗孤子是可以在光纤激光器中产生的,但对初始脉冲的参数有要求。暗孤子在光纤中可以由任意的初始凹陷演变而成,即暗孤子在光纤中的传播形成是没有阈值效应的。与此形成对比的是:在光纤激光器中,不是任何一个初始凹陷都可以转变为暗孤子输出。在光纤激光器中要想形成暗孤子输出,除了光纤激光器的运行条件要满足一定要求,对初始脉冲的参数也有一定要求:在脉冲演变过程中产生相位突变,并且该相位突变可以保持并逐步演变为π,在这种情况下才可以产生稳定的暗孤子输出,如图一所示。只要初始脉冲在腔内的演变过程可以满足上述条件即可得到暗孤子输出,即使初始脉冲是亮脉冲也可以最终形成稳定的暗孤子输出,图二给出了具有不同脉冲形状的亮脉冲最终都形成了暗孤子输出。对暗孤子形成过程的数值模拟为暗孤子激光器的实验设计,以及为下一步实现稳定的参数可控的暗孤子输出提供了可靠的理论指导。
   
此项研究得到了国家自然科学基金委、江苏省科技厅、江苏省教育厅(江苏省优势学科和江苏省高校协同创新中心)的资助支持,由江苏省先进激光材料与器件重点实验室赵鹭明教授领衔的研究小组完成。目前,研究人员正在积极开展后续研究,并期望早日实现首台稳定可控的暗孤子光纤激光器。

  图一:可演变为暗孤子的初始暗脉冲参数范围(红线与蓝线之间区域)
 

  图二具有不同脉冲形状的亮脉冲均可演变为暗孤子输出
 

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