清華電子系薛曉曉、鄭小平、周炳琨合作團(tuán)隊(duì)發(fā)文報(bào)道超級(jí)效率時(shí)間孤子

清華新聞網(wǎng)5月13日電 5月13日，清華大學(xué)電子工程系薛曉曉助理教授、鄭小平教授、周炳琨教授在《自然-光子》（Nature Photonics）雜志上在線(xiàn)發(fā)表了題為“雙耦合光學(xué)諧振腔中的超級(jí)效率時(shí)間孤子”（Super-efficient temporal solitons in mutually coupled optical cavities）的研究長(zhǎng)文（Research Article）。該研究提出了一種顯著提高時(shí)間光孤子能量轉(zhuǎn)換效率的新方法，為實(shí)現(xiàn)片上集成的高效率克爾光學(xué)頻率梳指出了方向。 

圖1. 片上集成克爾光學(xué)頻率梳及其波形、光譜示意圖

克爾光頻梳簡(jiǎn)稱(chēng)為克爾梳，它利用微型諧振腔中的非線(xiàn)性光學(xué)克爾效應(yīng)，將單一頻率的激光轉(zhuǎn)變?yōu)榘罅康乳g隔頻率的寬帶光頻梳。在鎖模狀態(tài)下，光頻梳的各個(gè)頻率分量之間保持穩(wěn)定的相位關(guān)系，在時(shí)域產(chǎn)生一個(gè)超短光脈沖序列，稱(chēng)為時(shí)間光孤子（圖1）。相對(duì)于傳統(tǒng)的光頻梳光源，克爾梳具有體積小、脈沖重復(fù)頻率高等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一項(xiàng)變革性的技術(shù)。然而，克爾梳的能量轉(zhuǎn)換效率非常低，通常只能達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn)。極低的能量轉(zhuǎn)換效率成為阻礙克爾梳應(yīng)用的一大瓶頸。薛曉曉課題組此前在《激光與光子學(xué)綜述》（Laser & Photonics Reviews）雜志上撰文，揭示了克爾梳的能量轉(zhuǎn)換效率與孤子脈沖的時(shí)域占空比之間的內(nèi)在聯(lián)系，指出傳統(tǒng)的孤子態(tài)即使在完全沒(méi)有諧振腔損耗的理想情況下也難以達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率，因此實(shí)現(xiàn)高效率的克爾梳需要另辟蹊徑。 

圖2. 雙耦合光學(xué)諧振腔中的超級(jí)效率時(shí)間孤子。(A) 器件結(jié)構(gòu)示意圖；(B) 工作原理；(C) 傳輸線(xiàn)RLC網(wǎng)絡(luò)類(lèi)比。

在此次報(bào)道的研究中，課題組借鑒了經(jīng)典微波傳輸線(xiàn)理論中的阻抗變換和匹配方法，提出了對(duì)激光能量進(jìn)行回收再利用的雙諧振腔結(jié)構(gòu)（圖2），并建立了一組完備的雙耦合非線(xiàn)性薛定諤方程，得出了其高效孤子解。在基于光纖環(huán)形腔的實(shí)驗(yàn)中，課題組實(shí)現(xiàn)了接近100%的光能量回收再利用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析精確吻合，打破了傳統(tǒng)單諧振腔克爾梳的效率瓶頸。高效率片上集成光頻梳預(yù)期將對(duì)小型化光原子鐘、微波光子學(xué)、大容量光通信、精密光譜測(cè)量等應(yīng)用產(chǎn)生重要推動(dòng)作用。

薛曉曉助理教授為論文的第一作者和通訊作者，清華大學(xué)為唯一完成單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

http://dx.doi.org/10.1038/s41566-019-0436-0

供稿：電子系

編輯：李華山

審核：周襄楠