第一作者：潘建行

通讯作者：黄田野

通讯单位：中国地质大学(武汉)

【研究背景】

连续光驱动的克尔谐振腔因其支持耗散腔孤子的产生而引起了广泛关注。依靠克尔非线性和反常色散以及周期性泵浦和损耗的双重平衡，腔孤子通常表现为具有双曲正割形状轮廓的亮脉冲。在光纤环形谐振腔中首先观察到了该现象，随后基于单片集成高Q值微环谐振腔的腔孤子产生得到了大力发展。基于微环谐振腔的腔孤子光频梳可广泛应用于芯片级光谱分析、光学时钟、大规模并行相干光通信、天文光谱以及激光雷达等。然而，连续光驱动的克尔谐振腔内会产生均匀的背景波，产生的孤子可能存在于任意的时域位置处。因此，在反常色散条件下，腔内产生的孤子数目通常具有较大的不确定性，对应的光谱存在调制包络，同时转化效率也较低。扰动泵浦的方式能够有效地提升孤子数目的确定性和光梳转化效率。然而高泵浦峰值功率下的不均匀背景波会使得产生的孤子数量增加，同时泵浦脉冲与孤子间的不同步也会导致孤子存活区间的减小。因此，理清泵浦扰动对谐振腔的作用机制是实现重复可控腔孤子光频梳的关键。

【文章简介】

近期，中国地质大学(武汉)黄田野教授研究团队与南方科技大学沈平教授研究团队合作提出了一种啁啾脉冲泵浦产生确定性单克尔腔孤子的方法。通过在泵浦脉冲上引入线性啁啾可以在较高的峰值功率下产生确定性的单孤子态，同时线性啁啾的引入可以在一定程度上解决泵浦脉冲和孤子脉冲不同步导致的孤子存活区间减小的问题。相关工作于2022年4月27日以"Dynamics of cavity soliton driven by chirped optical pulses in Kerrresonators"为题发表在Frontiers of Optoelectronics期刊。

【图文导读】

1．同步啁啾脉冲泵浦

图1展示了在同步脉冲泵浦条件下，当脉冲啁啾由负啁啾变化到无啁啾再到正啁啾时孤子时域位置的变化，以及特定啁啾值下孤子的时域演化过程。无啁啾条件对应于图1(a)中的B点，孤子存在于关于泵浦脉冲中心对称的时域位置处。负啁啾的存在会使孤子的时域位置更加远离泵浦脉冲的中心。随着负啁啾绝对值的增加，孤子存在的时域位置发生振荡，对应于图1(a)中A点所在的绿色区域和图1(b)中的时域演化过程。而该位置处的泵浦脉冲功率接近于支持孤子存在的最小泵浦功率(截止功率)，低于该功率值时没有孤子存在。而随着正啁啾值的增大，孤子的时域位置逐渐向泵浦脉冲的中心靠拢直到与其完全重合，对应于图1(a)中C点所在的粉色区域。此时，孤子存在的时域位置仅有一处，表明确定性单孤子态的产生，如图1(d)所示。

图1.(a)孤子存在的时域位置τ_CS随啁啾参数C的变化曲线。黑色实线表示孤子稳定时的时域位置。红色点划线表示单孤子态产生的啁啾阈值。从左到右不同颜色的区域分别对应于无孤子、两个振荡的孤子、两个稳定孤子和一个稳定孤子。图(a)下半部分的蓝色区域中给出了相应的孤子脉冲的时域动态特性。(b)-(d)对应于图(a)中A、B、C三点的时域演化过程。[归一化的啁啾脉冲峰值功率为2.3、泵浦脉宽为15、失谐量为4]

2．不同步啁啾脉冲泵浦

泵浦脉冲和孤子脉冲不同步由不同步参数d描述。如图2所示，当正啁啾较弱时(C=0.1)，根据孤子存在的时域位置随不同步参数d的变化可以将孤子存在的时域位置划分为双孤子区域，稳定单孤子区域，振荡单孤子区域和无孤子区域。较小的不同步参数d会使得腔内的背景波上存在两个孤子存活的时域位置，且不关于背景波中心对称，如图2(a)所示。增大不同步参数d，位于背景波一侧的孤子会越过背景波中心与另一侧的孤子碰撞合并为一个孤子，最终稳定存在于固定的时域位置处，如图2(b)所示。进一步增大不同步参数d，则孤子的时域位置在固定位置附近周期性振荡，如图2(c)所示。另一方面，较强的正啁啾(C=1)使得孤子存在的时域位置表现为关于不同步参数d的单调函数，表明确定性单孤子态的存在，如图3所示。

图2.当啁啾参数C=0.1时，(a)-(c)为不同步参数取不同的值时孤子时域位置的演化过程。(d)为孤子存在的时域位置随着不同步参数d的变化曲线。不同颜色的区域分别对应于无孤子（灰色）、单个振荡的孤子（绿色）、单个稳定的孤子（粉色）和两个稳定孤子（奶油色）。[归一化的啁啾脉冲峰值功率为3、泵浦脉宽为10、失谐量为4]

图3.当啁啾参数C=1时，孤子存在的时域位置随不同步参数d的变化曲线。[归一化的啁啾脉冲峰值功率为3、泵浦脉宽为10、失谐量为4]

【总结和展望】

本文对同步和不同步啁啾光脉冲驱动的腔孤子动力学过程进行了系统的研究。引入足够大的正啁啾可以消除同步脉冲泵浦时的自发对称破缺现象，从而获得单个确定性的孤子脉冲。而在不同步泵浦情况下，如果正啁啾较弱，仍然只能将孤子存在的时域位置划分为多个状态区间；而足够大的正啁啾则可以避免多孤子态的出现，同时也减弱了不同步参数对于孤子存活区间的约束。

【作者介绍】

黄田野，中国地质大学(武汉)教授，博士生导师，2012年在华中科技大学国家光电研究中心获博士学位，2013年至2015年在南洋理工大学光纤技术中心担任ResearchFellow研究，现任中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院副院长。长期从事光频梳、超快激光、光电传感等领域的研究，在Physical Review A、Optics Letters、Journal of Lightwave Technology等国际权威期刊共发表学术论文90余篇，主持省部级科研项目5项，参与国家重点研发计划课题1项，授权发明专利6项，获湖北省科技进步二等奖1项。

【课题组简介】

黄田野教授课题组在基于克尔谐振腔的耗散孤子方面具备较好的研究基础，提出了基于泵浦-三次谐波耦合的单孤子产生方法（IEEE Journal of Lightwave Technology, 37(21), 5531, 2019）。并在此基础上深入研究了泵浦-二次谐波耦合的孤子晶体产生过程并分析了其动力学特性（Physical Review A, 103(2), 023502, 2021），为常规腔长下的超高重频孤子脉冲产生提供了较好的思路。此外，课题组还研究了基于偏振复用标量孤子的全光数据操控，为多维度、多比特的全光数据缓存提供了潜在的解决办法（IEEE Journal of Lightwave Technology, 39(2), 582, 2021）。目前，课题组所在的光学实验室已建立起完备的克尔腔孤子研究平台，未来将继续在克尔腔孤子的物理机制及特色应用方面进行拓展性研究，期待与国内外专家广泛开展合作研究。

https://jidian.cug.edu.cn/info/1128/3541.htm

【招生信息】

课题组拥有较完善的光电子科学与技术研究条件，包括克尔腔孤子研究平台，超快光纤激光器研究平台，以及分布式光纤传感研究平台。欢迎勤于思考，致力于科学研究，热爱编程计算和动手实验的硕士、博士研究生的加入。

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