撰稿 | 毛 東（西北工業大學）

鎖模光纖激光系統具有結構緊湊、穩定性好、光束模式優良、峰值功率高以及與其他光纖系統兼容等優點，在高速通信、生物醫學、激光加工和精密物理測量等領域得到了廣泛的應用。在基礎研究方面，鎖模光纖激光系統也為探索時空孤子、光學怪波和脈沖相互作用提供了理想的研究平臺，成為國內外工業界和學術界持續關注的熱點領域之一。

通過調控諧振腔的色散和非線性特性，科學家已經在光纖激光器中發現了無啁啾的傳統孤子、弱啁啾的色散管理孤子以及強啁啾的自相似脈沖和耗散孤子。其中，傳統孤子的形成主要源自負色散和自相位調制效應的平衡作用，所得脈沖具有雙曲正割型的光譜和時域形狀。由于周期性的增益和損耗，脈沖為保持其孤子特性將部分能量以色散波的形式發射出來，在頻域上表現為對稱分布的尖銳光譜邊帶。色散管理孤子產生于近零色散區域，其在形成過程中經歷強烈的壓縮和展寬，寬度可達數十飛秒量級。自相似脈沖和耗散孤子均形成于正色散區域，在非線性效應的作用下，二者均具有巨大的線性啁啾，脈沖寬度為數十至數百皮秒量級。

圖1：脈沖類型隨諧振腔色散的演化關系

上述四種脈沖均是金茲堡-朗道方程的解，其中穩態解、呼吸解、漸進解和局域解分別對應于傳統孤子、色散管理孤子、自相似脈沖和耗散孤子。從基礎研究角度而言，光纖激光器中是否存在第五種鎖模脈沖值得進一步探討。從應用角度而言，在不進行色散補償或腔外壓縮的情況下，如何在正色散光纖激光器中直接產生近零啁啾脈沖也是一個極具挑戰的難題。

針對上述問題，西北工業大學毛東、趙建林教授研究團隊與芬蘭阿爾托大學孫志培教授合作，提出包含色散、非線性和雙折射效應的相位匹配理論，在正色散光纖激光器中引入保偏光纖，控制脈沖在腔內近似線性傳輸，從而獲得了近零啁啾的鎖模孤子。

該研究成果以 Phase-matching-induced near-chirp-free solitons in normal-dispersion fiber lasers 為題在線發表在 Light: Science & Applications。

研究結果表明，脈沖在腔內傳輸時，相位匹配效應平衡了非線性效應導致的光譜展寬，而可飽和吸收效應補償了正色散導致的時域拉伸（圖2）。脈沖兩正交偏振分量在保偏光纖中以非對稱的“X”形式傳播，部分補償了由波長色散導致的群延遲差，使脈沖實現了穩定的自洽演化。由于雙折射效應在脈沖形成過程中起主導作用，我們將其命名為“雙折射管理孤子”。

圖 2：雙折射管理孤子的形成機理

1.雙折射管理孤子特性

實驗采用的激光器如圖3左側所示，諧振腔包含摻鐿光纖、保偏光纖、單模光纖、鎖模器件、隔離器和輸出耦合器，所有光纖及光纖器件均為正色散，且腔內無色散補償元件。

研究結果表明，激光器的工作狀態與單模光纖-保偏光纖中激光偏振態耦合行為相關。當單模光纖中沿y軸方向偏振分量與保偏光纖快軸夾角θ為0度或90度時，光纖激光器輸出具有強烈啁啾的耗散孤子；當θ在45度附近時，光纖激光器輸出近零啁啾的雙折射管理孤子(圖3右側)。

圖 3：雙折射管理孤子的形成機理和脈沖特性

研究發現，脈沖的兩正交偏振分量具有不同的中心波長和時域位置。與正色散區域中常見的自相似脈沖和耗散孤子不同，雙折射管理孤子具有尖銳的光譜邊帶。單個偏振分量的兩個邊帶位置和強度不對稱，其中較強邊帶對應滿足相位匹配的諧振頻率，而較弱邊帶源自其正交偏振分量的模式耦合。雖然正色散區中雙折射管理孤子與負色散區中的傳統孤子具有類似的光譜形狀和啁啾特性，二者的形成機制、演化方式完全不同，表明雙折射管理孤子是一種全新類型的鎖模脈沖。

2. 雙折射管理孤子的形成過程

基于耦合金茲堡-朗道方程組，我們進一步研究了雙折射管理孤子的形成與演化過程，具體如圖4所示。模擬中采用弱強度的噪聲脈沖作為初始信號，脈沖在腔內傳輸時乘以相應器件的傳輸矩陣。在前10圈內，脈沖的強度呈指數形式劇增，并逐漸進入一個亞穩態過程。隨著圈數的進一步增加，在相位匹配、自相位調制和可飽和吸收效應的共同作用下，脈沖光譜逐漸展寬而寬度減小。在35圈左右，脈沖的光譜兩側逐漸出現兩個對稱的尖銳邊帶。之后，光譜和脈沖的強度呈現出輕微的擾動，最終在50圈左右進入穩定的自洽狀態。對于兩個正交偏振分量而言，除了兩側邊帶強度不對稱外，其他的演化行為與雙折射管理孤子類似。

圖 4：雙折射管理孤子的形成過程

3. 雙折射管理孤子腔內演化特性

雙折射管理孤子在腔內不同位置的演化如圖5所示。在單圈的循環中，脈沖依次經過1米單模光纖，0.25米摻鐿光纖，1.05米單模光纖，光耦合器，1.5米單模光纖，可飽和吸收體和3.05米單模光纖。之后，脈沖進入1.5米保偏光纖，兩個正交偏振分量在雙折射的作用下先交叉然后分開，以“X”形式傳輸。在保偏光纖的尾端，脈沖進入單模光纖并回到波分復用器中，開始下一圈循環。值得注意的是，在保偏光纖中傳輸時，兩個分量的時域碰撞位置偏離了保偏光纖的中心，部分補償了由波長色散導致的群延遲差。結合可飽和吸收效應，具有不同中心波長的兩正交分量最終實現穩定的自洽演化。

相關研究結果證明光纖激光器中存在第五類鎖模脈沖，拓展孤子鎖模的基本理論并推動其工程應用。

圖 5：雙折射管理孤子在腔內不同位置的演化

論文信息

Mao, D., He, Z., Zhang, Y. et al. Phase-matching-induced near-chirp-free solitons in normal-dispersion fiber lasers. Light Sci Appl 11, 25 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00713-y

該工作得到了國家重點研發計劃項目（2017YFA0303800）、國家自然科學基金重點及面上項目（11634010、11874300、61805277）、中央高校基本科研業務費（3102019JC008、3102019PY002）等項目的資助。

毛東教授作為西北工業大學光學工程學科的優秀青年教師，在國家自然科學基金、陜西省杰出青年科學基金、中央高校基本科研業務費等項目支持下，圍繞超快光纖激光、時空光場調控等領域開展了大量前沿研究工作，在Nature Communications, Light: Science & Applications, Physical Review Applied, Small, Physical Review A, Applied Physics Letters, Optics Letters等期刊發表第一、通訊作者論文48篇，相關論文共被引用6800余次，入選愛思唯爾2020年度高被引學者，該工作為近期的代表性成果之一。