Nature Photonics | 中红外耗散克尔孤子

撰稿 | 孟博（中科院长春光机所）

说明 | 本文来自论文作者（课题组）投稿

在 2014 年，瑞士洛桑联邦理工学院的 Tobias Kippenberg 研究组首次在氟化镁晶体腔中观察到微腔耗散克尔孤子的形成（微腔耗散克尔光孤子的形成源于腔内光学损耗和增益、非线性和色散的双重平衡），从此开启了孤子微腔光频梳研究的新领域。

与以往的微腔光频梳相比，孤子光频梳消除了调制不稳定性带来的影响，因此其具有高相干性、高稳定性等优点，不仅为相干光谱学、光钟、频率合成等领域提供了可靠的小型化光源，同时也为光与物质相互作用等研究提供了新颖的物理平台。

目前，在通讯波段，已经有多种材料实现了孤子微腔光频梳的产生，包括氮化硅、二氧化硅、硅、氟化镁、氮化铝、铌酸锂、以及砷化铝镓等。

尽管孤子微腔光频梳在通讯波段已经趋于成熟，可在对分子光谱学等领域具有重要意义的中红外波段仍面临着巨大的问题和挑战。

针对这个难题，量子级联激光器（2014年， 由 Jérôme Faist，Federico Capasso 和华人科学家 卓以和 等人利用分子束外延技术研制）提供了全新的思路。由于量子级联激光器的工作原理是利用电子在半导体材料导带的子带间跃迁，所以其不仅体积小、寿命长，而且激射波长与材料带隙无关。这种不依赖于材料带隙的特性极大的扩展了半导体激光器的激射范围。

鉴于此，近期，瑞士苏黎世联邦理工学院 Jérôme Faist 研究组利用量子级联激光器实现了中红外（7.6 μm）耗散克尔孤子，相关研究成果以“Dissipative Kerr solitons in semiconductor ring lasers”为题发表于 Nature Photonics。

此项成果的第一作者（同时也是通讯作者之一） 孟博 现已加入中科院长春光机所 发光学及应用国家重点实验室，继续从事级联激光器的相关研究。

在该项研究中，孟博等人采用量子级联激光器有源区，利用环形腔波导结构来抑制激光器中的空间烧空效应，同时削弱背向散射的影响。

如图 1a 所示，通过改变激光器的驱动电流，研究团队观察到了顺时针和逆时针模式的对称破缺现象。在适当的控制条件下，成功触发级联激光器产生耗散克尔光孤子。虽然激光器的品质因子还远不能与氮化硅技术相媲美，但其克尔非线性系数要大 5 到 6 个数量级，进而可以补偿低品质因子带来的缺点。

图 1：（a）环形腔级联激光器的对称破缺特性；（b）重构孤子脉冲波形

研究人员利用两种独立的相位测量技术揭示了孤子的波形和相干性，并确定了重建的 ~3 ps 脉冲时间宽度（图1b）。此外，通过光学滤波的办法，利用搭建的光学滤波器，在去除色散波后，实现了无背景的 3.7 ps 孤子脉冲。多次实验表明孤子的产生过程并不是随机性的，而是具有高度可重复性，并且孤子态稳定，可以持续数个小时。

该研究结果将克尔孤子光频梳的光谱范围扩展到中红外波段。在此波段不仅存在两个低损耗的大气通信窗口（3‒5 μm 和 8‒12 μm），同时也存在着大量的分子指纹区。因此，该研究成果不仅将有力的推动中红外相干通讯等实际应用，也将促进中红外集成光谱仪等科学仪器的发展。

论文信息

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

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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