江蘇師范大學(xué)的研究人員通過數(shù)值模擬的方法首次揭示了光纖激光器中初始條件對(duì)暗孤子脈沖形成的影響，研究結(jié)果表明，與暗孤子在光纖中無閾值形成的特性不同，在光纖激光器中暗孤子的生成是受初始條件約束的。不是所有的初始凹陷都可以演變?yōu)榘倒伦?，更為神奇的是初始輸入的亮脈沖也有可能演化為暗孤子輸出。該研究成果近日發(fā)表在《應(yīng)用光學(xué)》（AppliedOptics.2015,54(1),71-77）上。
孤子是指在介質(zhì)中傳播時(shí)可以保持形狀不變的一種特殊的波包。脈沖在光纖激光器中形成時(shí)，雖然在激光器內(nèi)脈沖的性能參數(shù)發(fā)生周期性變化，但在激光器腔內(nèi)的固定位置，在穩(wěn)態(tài)時(shí)脈沖的性能參數(shù)不變，在這個(gè)意義上我們將光纖激光器中形成的超短脈沖也稱之為“孤子”。脈沖強(qiáng)度高于背景的一般稱為“亮脈沖”；脈沖強(qiáng)度低于背景的一般稱為“暗脈沖”。對(duì)應(yīng)于激光器的兩種基本工作形態(tài)：亮脈沖和暗脈沖，在光纖激光器中可以產(chǎn)生亮孤子和暗孤子。由于孤子的傳播不變特性和孤子寬度的極窄化（一般孤子寬度可以小于皮秒），孤子通訊一直被認(rèn)為是下一代通訊系統(tǒng)的首選對(duì)象。而暗孤子與亮孤子相比，暗孤子對(duì)噪音和光纖傳輸損耗比較不敏感，因此是光通訊的未來之星。隨著對(duì)通訊帶寬及速率需求的迅猛增長(zhǎng)，目前的波分復(fù)用技術(shù)已經(jīng)達(dá)到一個(gè)瓶頸，因此，越來越多的研究者重新對(duì)孤子通訊產(chǎn)生興趣，這也加速了對(duì)暗孤子光纖激光器的研究。
2009年，新加坡南洋理工大學(xué)的研究小組首次在光纖激光器中實(shí)現(xiàn)暗脈沖輸出(H.Zhangetal.,Phys.Rev.A,80,045803(2009))，2010年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的StevenT.Cundiff研究組在量子點(diǎn)激光器中觀測(cè)到穩(wěn)定的暗脈沖輸出，并預(yù)言暗脈沖激光的出現(xiàn)將對(duì)光通信領(lǐng)域有著重要的影響(M.M.Fengetal.,Opt.Express18,13385-13395(2010))。
江蘇師范大學(xué)的研究小組以摻鉺光纖激光器為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬研究了不同初始脈沖在相同的操作條件下的腔內(nèi)演變過程。研究結(jié)果表明暗孤子是可以在光纖激光器中產(chǎn)生的，但對(duì)初始脈沖的參數(shù)有要求。暗孤子在光纖中可以由任意的初始凹陷演變而成，即暗孤子在光纖中的傳播形成是沒有閾值效應(yīng)的。與此形成對(duì)比的是：在光纖激光器中，不是任何一個(gè)初始凹陷都可以轉(zhuǎn)變?yōu)榘倒伦虞敵?。在光纖激光器中要想形成暗孤子輸出，除了光纖激光器的運(yùn)行條件要滿足一定要求，對(duì)初始脈沖的參數(shù)也有一定要求：在脈沖演變過程中產(chǎn)生相位突變，并且該相位突變可以保持并逐步演變?yōu)?pi;，在這種情況下才可以產(chǎn)生穩(wěn)定的暗孤子輸出，如圖一所示。只要初始脈沖在腔內(nèi)的演變過程可以滿足上述條件即可得到暗孤子輸出，即使初始脈沖是亮脈沖也可以最終形成穩(wěn)定的暗孤子輸出，圖二給出了具有不同脈沖形狀的亮脈沖最終都形成了暗孤子輸出。對(duì)暗孤子形成過程的數(shù)值模擬為暗孤子激光器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以及為下一步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的參數(shù)可控的暗孤子輸出提供了可靠的理論指導(dǎo)。
此項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、江蘇省科技廳、江蘇省教育廳（江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科和江蘇省高校協(xié)同創(chuàng)新中心）的資助支持，由江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙鷺明教授領(lǐng)銜的研究小組完成。目前，研究人員正在積極開展后續(xù)研究，并期望早日實(shí)現(xiàn)首臺(tái)穩(wěn)定可控的暗孤子光纖激光器。
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