新型光纖激光器，可實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)諧性的單縱模的激光輸出

近日，來(lái)自暨南大學(xué)張杰君研究員，加拿大渥太華大學(xué)姚建平院士及他們的團(tuán)隊(duì)在Light: Science & Applications發(fā)表論文，他們利用兩個(gè)偏振態(tài)相互正交的光波在一個(gè)單光子腔內(nèi)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單一光子腔中的偏振態(tài)宇稱(chēng)-時(shí)間（Parity-time，簡(jiǎn)稱(chēng)PT）對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，提出并驗(yàn)證了一種新型光纖激光器，可實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)諧性的單縱模的激光輸出。

得益于偏振態(tài)PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的模式選擇作用，該激光器無(wú)需窄帶光學(xué)濾波器，即可實(shí)現(xiàn)單縱模輸出。這種單環(huán)諧振腔的設(shè)計(jì)為激光器提供了簡(jiǎn)便性和高度穩(wěn)定性。這種新型光纖激光器有望在激光測(cè)距，激光雷達(dá)，微波光子信號(hào)產(chǎn)生等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

圖源：Veer

單縱模振蕩是高性能連續(xù)波激光器的基本特性，它決定了激光器輸出的相干性和功率穩(wěn)定性。對(duì)于相位噪聲低、線(xiàn)寬窄、光功率高的長(zhǎng)腔激光器，由于激光腔內(nèi)增益介質(zhì)的增益譜寬度通常比激光器的模間距大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，相鄰兩個(gè)模式之間的增益差值很小，很難通過(guò)控制激光閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)單模振蕩。在激光腔中加入一個(gè)光學(xué)濾波器，可以減少滿(mǎn)足閾值條件模式的數(shù)量，是實(shí)現(xiàn)單模激光輸出的常用手段。如果濾波器的通帶足夠窄，就可以保證單模激光。然而，對(duì)于長(zhǎng)腔激光器，例如腔長(zhǎng)在幾十米左右的光纖激光器，需要一個(gè)高Q值濾波器，使得系統(tǒng)昂貴且穩(wěn)定性差。

由于PT對(duì)稱(chēng)機(jī)理在模式選擇方面具有顯著特性，使得其近年來(lái)在光學(xué)系統(tǒng)和光電系統(tǒng)中被廣泛研究。一個(gè)PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)通常是由兩個(gè)交叉耦合的空間子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，這兩個(gè)子系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成具有相同的幾何形狀和互補(bǔ)的增益和損失系數(shù)。在PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)中，當(dāng)PT對(duì)稱(chēng)破缺時(shí)，主模和邊模之間的增益差明顯增強(qiáng)，從而使單模振蕩成為可能。但是，兩個(gè)空間分布的子系統(tǒng)，使得系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加，成本高，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的敏感性強(qiáng)。

在本工作中，研究人員提出并證明了一種可以在單一空間諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)的基于偏振態(tài)多樣化的PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，通過(guò)控制光的偏振態(tài)特性，調(diào)諧諧振腔的特征頻率、增益、損耗和耦合系數(shù)，實(shí)現(xiàn)PT對(duì)稱(chēng)破缺?；诖烁拍钤O(shè)計(jì)的光纖環(huán)形激光器，無(wú)需高Q值光學(xué)濾波器，即可有效抑制激光邊摸，獲得穩(wěn)定的單縱模輸出。

圖1本研究提出的偏振態(tài)PT對(duì)稱(chēng)光子系統(tǒng)的原理圖

圖1所示為本工作提出的由兩個(gè)偏振環(huán)組成的偏振態(tài)PT對(duì)稱(chēng)光子系統(tǒng)的原理圖?；谠趩我豢臻g環(huán)路中的偏振態(tài)多樣化原理，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)具有獨(dú)立可調(diào)諧的偏振環(huán)路。光纖環(huán)路中的雙折射路徑產(chǎn)生兩個(gè)偏振環(huán)路，耦合路徑允許兩個(gè)偏振環(huán)路之間的耦合。采用摻鉺光纖放大器（EDFA）來(lái)提供光增益。使用可調(diào)諧濾光器（TOF）選擇激光器輸出波長(zhǎng)。利用兩個(gè)偏振控制器和兩個(gè)起偏器對(duì)兩個(gè)偏振環(huán)路本征頻率的增益和損耗系數(shù)進(jìn)行調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)PT對(duì)稱(chēng)。當(dāng)增益和損耗系數(shù)大于耦合系數(shù)時(shí)，會(huì)發(fā)生PT對(duì)稱(chēng)破缺。兩個(gè)偏振環(huán)組成一個(gè)PT對(duì)稱(chēng)的光纖環(huán)形激光器。偏振態(tài)PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)增強(qiáng)了主模和邊模之間的增益差值，使單模激光通過(guò)操縱激光閾值成為可能。

圖2偏振態(tài)PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

雖然兩個(gè)偏振環(huán)的物理長(zhǎng)度是相同的，但由于光纖彎曲和光學(xué)元件偏振模色散所產(chǎn)生的雙折射，可能導(dǎo)致兩個(gè)偏振環(huán)的本征模式不匹配，如圖2（a）所示。為了實(shí)現(xiàn)PT對(duì)稱(chēng)，需要本征頻率分裂值為零，這可以通過(guò)調(diào)整PC1中的等效四分之一波片，來(lái)對(duì)準(zhǔn)偏振環(huán)的本征頻率，以實(shí)現(xiàn)本征頻率的實(shí)部之間的PT對(duì)稱(chēng)。另一方面，PC1中的等效二分之一波片與兩個(gè)起偏器一起控制兩個(gè)偏振環(huán)的增益、損耗和耦合系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)本征頻率的虛部之間的PT對(duì)稱(chēng)。除此之外，調(diào)諧PC2中的等效二分之一波片為兩個(gè)偏振環(huán)引入相同的增益變化，因此只影響激光器的激光閾值。這種控制激光閾值的方法比改變EDFA中的泵浦電流更加的精準(zhǔn)和方便。

圖3單縱模激光器的波長(zhǎng)可調(diào)諧性

在腔長(zhǎng)為41米的環(huán)形腔激光器中，對(duì)應(yīng)的FSR為4.88MHz。TOF的帶寬為0.1納米，其中大約包含有超過(guò)兩千個(gè)縱模。再利用PT對(duì)稱(chēng)的選模機(jī)制從這些縱模中選出增益最大的一個(gè)模式，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單模激光輸出。利用TOF的可調(diào)諧性，可以實(shí)現(xiàn)輸出激光的波長(zhǎng)調(diào)諧。圖3展示了該激光器的最小調(diào)諧步長(zhǎng)和最大調(diào)諧范圍。

本工作中所提出的基于偏振態(tài)多樣性的PT對(duì)稱(chēng)概念為研究非厄米光子系統(tǒng)的功能開(kāi)辟了新的途徑。通過(guò)在單一環(huán)路的光纖激光器中通過(guò)偏振控制建立兩個(gè)相互耦合的子系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了偏振態(tài)PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)。并且利用PT對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的模式選擇機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的單縱模激光輸出。由于只需要一個(gè)空間環(huán)，該激光器的實(shí)現(xiàn)得到了極大地簡(jiǎn)化，并且穩(wěn)定性得到了極大地提高。因此，這種新型光纖激光器未來(lái)有望在激光測(cè)距，激光雷達(dá)，微波光子信號(hào)產(chǎn)生等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

文章信息

Li, L., Cao, Y., Zhi, Y. et al. Polarimetric parity-time symmetry in a photonic system.Light Sci Appl9, 169 (2020).

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：基于宇稱(chēng)-時(shí)間對(duì)稱(chēng)的單縱模光纖激光器

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