TOP论文 | 从光谱展宽到再压缩——非相干光在光纤中传输的动力学

论文导读

      光纤中的色散和非线性效应相互作用是非线性光纤光学领域的基础研究课题，而研究光场在光纤中的传输是揭示色散和非线性效应相互作用的一种既简单又有效的手段。国防科技大学周朴研究员所在团队于8月4日在 PhotoniX 上发表标题为From spectral broadening to recompression: dynamics of incoherent optical waves propagating in the fiber的论文，从理论和实验上研究了非相干的准连续光在光纤正常色散区的传输特性，报道了一种独特的光谱演化现象——即先展宽再压缩。这种光谱演化趋势不依赖于初始光谱宽度，既不同于相干光脉冲在光纤中传输的光谱演化特性，也区别于部分相干的准连续拉曼激光在光纤中的传输特性。研究光场传输的动力学过程发现，光谱的再压缩是由群速度色散辅助的反四波混频效应引起的。该工作有助于提高对具有不同统计特性的光场在光纤中传输的物理认识。

研究背景

      色散和非线性在光纤器件和系统中扮演着十分重要的角色。例如，色散引起的脉冲展宽限制了光纤通信系统的容量；自相位调制和四波混频等非线性效应可能会引起光谱展宽、信道串扰，这对窄线宽光纤激光产生、光纤通信等应用场合是不利的。光场在光纤中传输时，通常会同时受到色散和非线性效应的影响，色散和非线性效应的相互作用导致了非线性光纤光学领域的众多有趣现象。例如，通过色散和非线性的精确平衡实现的光孤子传输，以及多种非线性效应和色散的相互作用而产生的超连续谱等。研究光场在光纤中的传输是揭示色散和非线性相互作用的一种既简单又有效的手段。在此之前，超短脉冲的传输得到了广泛的研究，各种类型的光孤子和新型非线性效应接连被报道。近年来，部分相干的准连续激光在光纤中的传输也受到了关注。2015年，阿斯顿大学S. K. Turitsyn等研究了拉曼激光在光纤中的传输特性，报道了一种新的非线性效应——反四波混频。这是一个极具启发意义的进展，但如何将光场在光纤中的传输扩展到更一般的情况仍然是一个悬而未决的问题。众所周知，入射光的统计特性在光场传输中起着十分重要的作用。相干光超短脉冲的传输已经得到了广泛研究，部分相干准连续光的传输也在近年来受到较多关注。然而，非相干准连续光（如热光源和自由运转的激光器等）在光纤中的传输特性及其动力学机制，尚待深入研究。

技术突破

      该文首先从理论上研究了非相干准连续光在光纤正常色散区传输的光谱演化特性。理论计算结果表明，无论初始注入的光谱宽度如何，其演化趋势总是相似的——即先展宽再压缩（尽管较宽的光谱没有表现出明显的变化）。图1(a)所示为线性坐标下的输入光谱、演化过程中最宽的光谱以及长距离传输后的稳态输出光谱，图1(b)所示为对数坐标下的光谱。初始半高全宽为0.1 nm的光谱（图1(a)左）在约2 km传输距离上表现出明显的展宽，随着传输距离的进一步增加，光谱的拖尾几乎不发生改变，而中心部分开始压缩。初始半高全宽为0.5 nm的光谱（图1(a)右）在传输过程中也产生了类似的演化，但光谱变化不甚明显，光谱再压缩长度（光谱开始压缩时的传输长度）向前移动至约350 m处。图1(c)和图1(d)分别为光谱半高全宽、均方根线宽的展宽因子（光谱线宽的展宽因子定义为输出光谱线宽与输入光谱线宽之比，即Δλout/Δλin）随传输长度的演化趋势，该结果表明，初始光谱宽度越宽，光谱的最大展宽因子越小，光谱再压缩长度越短（越靠近输入端）。

      该文随后分析了上述演化现象背后的动力学过程。非相干光场的各频率成分之间不存在相位关联，因此其时域特性表现为一连串的随机起伏，时域起伏的尺度在ps量级（与光谱宽度有关），起伏的强度甚至能达到十倍平均功率以上。以0.1 nm宽的初始光谱为例，其时域起伏的平均尺度约为16 ps。图2(a)为输入光场的时频图，在200 ps范围内可近似看作两个“无啁啾脉冲”，随着传输长度的增加，自相位调制效应使得脉冲前沿产生频率红移，脉冲后沿产生频率蓝移。与此同时，群速度色散效应使得红移成分向脉冲前沿移动，蓝移成分向脉冲后沿移动，脉冲展宽并产生频率啁啾（图2(b)）。随着传输长度的进一步增加，前一个脉冲后沿的蓝移成分与后一个脉冲前沿的红移成分在时域上产生重叠，并发生反四波混频效应，从而在时频图中产生桥状图样（图2(c)白色虚线框）。反四波混频效应消耗蓝移和红移成分并产生中心频率成分（图2(d)红色虚线框），导致光谱发生再压缩。继续增加传输长度，由于光纤损耗的存在，非线性效应逐渐减弱，光谱演化由群速度色散占主导，时域上的相邻“脉冲”频繁地交换能量而光谱宽度几乎不发生改变，时频特性的演化达到稳定状态（图2(e)和图2(f)）。

观点评述

      对比具有不同统计特性的光场在光纤正常色散区的传输特性可以发现，相干光超短脉冲在无初始啁啾的情况下，表现出单调而逐渐减弱的光谱展宽，这是由自相位调制和群速度色散相互作用导致的（图3(a)）；而部分相干准连续光在具有足够强的相位关联条件下，在传输的初始阶段即会发生反四波混频效应，从而表现出单调而逐渐减弱的光谱压缩（图3(b)）；而非相干准连续光的演化过程与上述两者均有区别，在传输的初始阶段，自相位调制和群速度色散效应使得光谱展宽并产生相位关联，与此同时，群速度色散使得红移、蓝移成分产生时域重叠，进而辅助了反四波混频效应的发生，使得光谱重新压缩变窄（图3(c)）。结合以往的相关报道，该工作将光场传输的光谱演化推广到了更一般的情况，并有助于深化对具有不同统计特性的光场在光纤中传输的物理过程的认识。

主要作者

      叶俊，2018年12月于国防科技大学获工学硕士学位，现在国防科技大学前沿交叉学科学院光学工程专业攻读博士学位。研究兴趣包括超荧光光纤光源与随机光纤激光器。

      许将明，国防科技大学前沿交叉学科学院副研究员、硕士生导师。主要从事大功率光纤激光方面应用基础研究工作，在高功率非相干光纤光源及其应用方面取得多项成果。以第一作者发表SCI论文16篇，合作发表SCI论文60余篇；国内外学术会议作报告17次，其中ASSL等国际会议Postdeadline报告3次、邀请报告5次；2019年“博新”计划资助对象，曾获国际会议“青年科学家”、国家级学会优博（提名）等奖励。

      周朴，国防科技大学前沿交叉学科学院研究员、博士生导师，“王大珩光学奖中青年科技人员光学奖”获得者、全国优秀博士学位论文作者。目前主要从事光纤激光与光束合成等领域的科研、教学和人才培养等工作，在高功率光纤激光、高功率单频/窄线宽光纤激光、高功率特殊波长光纤激光、光束合成、级联泵浦、模式诊断等方面取得了创新成果。Fiber Laser (PW)、ASSL、CLEO-PR、AFL、AOPC等国际会议程序委员会成员，第十二届、十三届全国青联委员，被评为“全国向上向善好青年”。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

了解PhotoniX最新动态