撰稿 | 孟博（中科院長春光機所）

說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

在 2014 年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的 Tobias Kippenberg 研究組首次在氟化鎂晶體腔中觀察到微腔耗散克爾孤子的形成（微腔耗散克爾光孤子的形成源于腔內光學損耗和增益、非線性和色散的雙重平衡），從此開啟了孤子微腔光頻梳研究的新領域。

與以往的微腔光頻梳相比，孤子光頻梳消除了調制不穩(wěn)定性帶來的影響，因此其具有高相干性、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，不僅為相干光譜學、光鐘、頻率合成等領域提供了可靠的小型化光源，同時也為光與物質相互作用等研究提供了新穎的物理平臺。

目前，在通訊波段，已經有多種材料實現(xiàn)了孤子微腔光頻梳的產生，包括氮化硅、二氧化硅、硅、氟化鎂、氮化鋁、鈮酸鋰、以及砷化鋁鎵等。

盡管孤子微腔光頻梳在通訊波段已經趨于成熟，可在對分子光譜學等領域具有重要意義的中紅外波段仍面臨著巨大的問題和挑戰(zhàn)。

針對這個難題，量子級聯(lián)激光器（2014年， 由 Jér?me Faist，F(xiàn)ederico Capasso 和華人科學家 卓以和 等人利用分子束外延技術研制）提供了全新的思路。由于量子級聯(lián)激光器的工作原理是利用電子在半導體材料導帶的子帶間躍遷，所以其不僅體積小、壽命長，而且激射波長與材料帶隙無關。這種不依賴于材料帶隙的特性極大的擴展了半導體激光器的激射范圍。

鑒于此，近期，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院 Jér?me Faist 研究組利用量子級聯(lián)激光器實現(xiàn)了中紅外（7.6 μm）耗散克爾孤子，相關研究成果以“Dissipative Kerr solitons in semiconductor ring lasers”為題發(fā)表于 Nature Photonics。

此項成果的第一作者（同時也是通訊作者之一） 孟博 現(xiàn)已加入中科院長春光機所 發(fā)光學及應用國家重點實驗室，繼續(xù)從事級聯(lián)激光器的相關研究。

在該項研究中，孟博等人采用量子級聯(lián)激光器有源區(qū)，利用環(huán)形腔波導結構來抑制激光器中的空間燒空效應，同時削弱背向散射的影響。

如圖 1a 所示，通過改變激光器的驅動電流，研究團隊觀察到了順時針和逆時針模式的對稱破缺現(xiàn)象。在適當的控制條件下，成功觸發(fā)級聯(lián)激光器產生耗散克爾光孤子。雖然激光器的品質因子還遠不能與氮化硅技術相媲美，但其克爾非線性系數要大 5 到 6 個數量級，進而可以補償低品質因子帶來的缺點。

圖 1：（a）環(huán)形腔級聯(lián)激光器的對稱破缺特性；（b）重構孤子脈沖波形

研究人員利用兩種獨立的相位測量技術揭示了孤子的波形和相干性，并確定了重建的 ~3 ps 脈沖時間寬度（圖1b）。此外，通過光學濾波的辦法，利用搭建的光學濾波器，在去除色散波后，實現(xiàn)了無背景的 3.7 ps 孤子脈沖。多次實驗表明孤子的產生過程并不是隨機性的，而是具有高度可重復性，并且孤子態(tài)穩(wěn)定，可以持續(xù)數個小時。

該研究結果將克爾孤子光頻梳的光譜范圍擴展到中紅外波段。在此波段不僅存在兩個低損耗的大氣通信窗口（3?5 μm 和 8?12 μm），同時也存在著大量的分子指紋區(qū)。因此，該研究成果不僅將有力的推動中紅外相干通訊等實際應用，也將促進中紅外集成光譜儀等科學儀器的發(fā)展。

論文信息

Meng, B., Singleton, M., Hillbrand, J. et al. Dissipative Kerr solitons in semiconductor ring lasers. Nat. Photon. 16, 142–147 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00927-3

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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