▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

▍導讀

近日，華中科技大學光學與電子信息學院孫琪真教授課題組、唐霞輝教授課題組與重慶大學光電工程學院羅亦楊副教授課題組及南方科技大學沈平教授課題組合作，報道了可編程增益控制的自組裝脈沖相位演化，并定義了四個相位演化區間，由此構建了一種基于自組裝脈沖相位定制的四進制編碼格式。論文通過仿真與實驗驗證了相位定制方法的有效性。

該研究成果近日發表在Light: Science & Applications，題為“Phase-tailored assembly and encoding of dissipative soliton molecules”。華中科技大學與重慶大學聯合培養博士生劉雨松為論文的第一作者，重慶大學羅亦楊副教授和華中科技大學孫琪真教授為論文的共同通訊作者。

近年來，超快光纖激光器中產生的超短脈沖激發了超快科學和信息技術領域的潛在應用。這種超短脈沖在激光器內部傳輸時會受到增益與損耗、色散與非線性的復合平衡作用。類比物質粒子，超短脈沖相互間的糾纏作用引入了豐富的多脈沖動力學過程。增益動力學、非線性效應、色散及光聲效應等參量的作用使得不同數量的超短脈沖能夠以不同的排列方式自發地進行組裝。而對這些自組裝脈沖的時域排布和瞬態動力學的研究也指引了自組裝脈沖人工操控的深入探索。

同時，超快光學的前沿研究及多樣化的應用需求也推動了超短脈沖操控機理的縱深探索，進而驅動著超快激光精密控制技術的持續發展。通過主動控制或被動反饋控制來改變激光器腔內增益、能量、濾波效應、偏振態等參數，可以實現對自組裝脈沖振幅、波長、脈寬、波形、光譜等特性的調控。對這些脈沖特性的精準人工操控也為超快激光測量、光存儲、光計算等應用場景提供新的思路。因此，如何實現自組裝脈沖相位特征的精準切換以及按需重構，成為了智能控制超快激光的關鍵難點。

在本工作中，研究人員通過精細地調控超快光纖激光器的腔內增益，對自組裝脈沖的內部相位演化進行了人工操控與分類研究，揭示了增益對自組裝脈沖瞬態演化的影響。根據相位演化特征的不同，定義了四個自組裝脈沖相位演化區間，分別表現為“無”相位，“負向”相位，“穩定”相位和“正向”相位（圖1a）。對應的四種自組裝脈沖相位演化示例如圖1b所示，相位向不同的方向演化，具有很高的可識別度。

圖1：(a)增益控制的自組裝脈沖相位演化。(b)四個區間的相位演化示例。

此外，研究人員通過對激光器泵浦進行周期性的電調制，使得腔內增益快速變化，進而驅動自組裝脈沖進行確定性的組裝或解離，對應的實時光譜演化如圖2a所示。結合實時光譜干涉法，對自組裝脈沖的相位演化進行解析，揭示了脈沖切換的具體過程及其操控機制（圖2b）。這種對激光器增益的精準調制為實現自組裝脈沖的快速人工操控提供了一種高效的方法。

圖2：四個相位區間之間的全光切換。(a)實時光譜演化圖。(b)自組裝脈沖相位演化。

由于這四個區間的相位符號具有很高的可識別度，因此被用于構建一種新的基于相位定制的四進制編碼格式。一個bit的時間長度設置為200微秒。通過設定合適的相位閾值來判定自組裝脈沖的相位演化類別，進而識別每一個bit內存儲的相位信息。這種對激光器增益的精細電調制實現了具有高保真度的相位定制編碼。此外，對自組裝脈沖相位演化的解算較為簡單，這也確保了對相位信息的快速解碼。為了驗證該相位定制編碼的可用性，研究人員將一個單詞“fiber”編入到了脈沖流中，并對其進行了相位解碼，如圖3所示。在此基礎上，若將相位演化速度或其他自組裝脈沖瞬態演化加入到編碼格式中，可更進一步的提升多重編碼和全光存儲容量。

圖3：相位定制四進制編碼示例“fiber”。(a)編碼數據流。(b)每個字母的四進制表征。(c)“r”的相位演化軌跡。

本文報道了可編程增益控制的自組裝脈沖相位演化，并由此構建了一種新的相位定制四進制編碼格式。這種基于增益控制的相位定制方法為自組裝脈沖的人工操控提供了一種新的思路，有望進一步拓展如光測量、光存儲、光計算等諸多新興應用場景，為超快光學的研究開辟新的道路。

| 論文信息 |

Liu, Y., Huang, S., Li, Z. et al. Phase-tailored assembly and encoding of dissipative soliton molecules. Light Sci Appl 12, 123 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01170-x

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