有源腔孤子：用于测量光波的超稳定、高功率光脉冲

江苏激光联盟导读：

光频梳是由大量等距谱线组成的光波。它们对计量学、光谱学、通信和基础科学很重要。频率梳通常是由激光器或无源谐振器中的激发耗散孤子产生的，两者都受到重要限制。在这里，来自布鲁塞尔自由大学的研究人员展示了将两个平台的优势可以结合起来，介绍了一种新型孤子（称为有源腔孤子），它位于泵浦低于激光阈值的相干驱动激光器中。该研究成果2021年5月10日发表在Nature Photonics上。

时间耗散孤子是在非线性光学谐振腔中无限传播的脉冲。它们一方面受到增益和损耗的双重平衡，另一方面受到非线性和色散的影响。耗散孤子可以采取多种形式并出现在各种光学系统中。特别是锁模激光器和无源克尔谐振器的 sech形解决方案引起了很多关注。当它们周期性地离开腔体时，它们会形成稳定的脉冲序列——光学频率梳 (optical frequency comb, OFC) ——在许多领域都有应用，最显著的是计量学。这两类孤子的主要区别在于它们的泵浦方案。在激光器中，孤子的能量由腔内放大维持，而在无源腔中，它由相干驱动维持。这导致脉冲序列和相应的OFC在能量和相干性方面存在根本差异。激光孤子容易受到时间抖动的影响，因为放大的自发辐射 (amplified spontaneous emission, ASE) 会增加随机波动，进而导致中心频率漂移。另一方面，腔孤子锁相到相干驱动激光器。然而，当它们在高精密谐振器中传播时，只能提取一小部分能量。之前的研究已经报道了几种将相干驱动和非相干泵浦的优点结合起来的努力，但是这些系统在激光阈值之上运行，仍然受到相位和幅度噪声的影响。

在这里，来自布鲁塞尔自由大学的研究人员介绍了一个腔内频率转换的新概念，他们将其应用于OFC生成。通过结合相干驱动和腔内放大，但将系统保持在激光阈值以下，出现了鲁棒的非线性吸引子。具体来说，他们研究了包含放大器的克尔谐振器中孤子的形成。已提出腔内放大来调整驱动谐振器的耦合机制并改善光学陀螺仪。它也用于半导体微腔中空间腔孤子的首次演示。他们的工作通过展示腔内放大增强相干驱动谐振器中的频率转换来扩展腔内放大的应用。

▲图1. 连续波驱动下的孤子激发

a. 等式（1）的静止孤子（ACS，蓝色）和均匀（CW，黑色）状态。解决方案由它们的峰值功率表示。虚线表示不稳定的吸引子。θin = 10%，Ps = 110 mW，Psat = 0.36 W。插图将扫描失谐时的理论均质分支（黑色）与实验平均输出功率（红色）进行比较。黑点表示稳定设定点 (δ0 = 0.5)。b. 在我们的有源光纤腔中传播的 δ0 = 0.5 孤子的理论分布。实线对应于方程（1）的解，而圆圈对应于全集总模型的模拟。c. 从寻址脉冲发送到腔体时开始的示波器记录。插图是孤子模式的放大图，显示它由往返时间分隔的短脉冲组成。d. 示波器从第一个寻址脉冲后约 5 ms 开始记录，作为发送第二个寻址脉冲以擦除孤子图案。

对于某些应用，像LiDAR，必须有一个既高能又超稳定的脉冲序列。当孤子出现在一个注入信号的谐振器中，其中有一个精心设计的放大部分。这个部分的目的是补偿波（孤子）在每次往返时所经历的一些损失。如果放大太与损耗相比，孤子不可能存在。另一方面，如果放大率大于损耗，则会发生激光发射。由于损耗的这种部分补偿，可以提取大部分孤子的能量（超过 30%！）而不会影响它的存在。

此外，由于选择放大部分，使得不会发生激光，脉冲系继承了被动谐振器的稳定性。因此，有源腔孤子结合了脉冲激光器和无源谐振器产生的脉冲序列的优点。

这种新型的通用和混合孤子可以在不同平台上触发许多实验，特别是在集成光学领域，无源谐振器占主导地位，但由于从芯片中提取的功率很少，因此应用滞后。这个新概念不仅限于孤子的产生。由于这种新的混合腔，引起大量损耗的组件（晶体、特定光纤等）现在可以放置在谐振器中，为以前无法通过实验进行研究的现象开辟了道路。本发明是以 ULB 的名义提交的专利申请的主题。

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