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(xué)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(nèi)光學(xué)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(lǐng)域。

與以往的微腔光頻梳相比，孤子光頻梳消除了調(diào)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(xué)、光鐘、頻率合成等領(lǐng)域提供了可靠的小型化光源，同時也為光與物質(zhì)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(jīng)有多種材料實現(xiàn)了孤子微腔光頻梳的產(chǎn)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(jīng)趨于成熟，可在對分子光譜學(xué)等領(lǐng)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(xué)家 卓以和 等人利用分子束外延技術(shù)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(dǎo)體材料導(dǎo)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(guān)。這種不依賴于材料帶隙的特性極大的擴展了半導(dǎo)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(xué)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(guān)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(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室，繼續(xù)從事級聯(lián)激光器的相關(guān)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(dǎo)結(jié)構(gòu)來抑制激光器中的空間燒空效應(yīng)，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(qū)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(dāng)?shù)目刂茥l件下，成功觸發(fā)級聯(lián)激光器產(chǎn)生耗散克爾光孤子。雖然激光器的品質(zhì)因子還遠不能與氮化硅技術(shù)相媲美，但其克爾非線性系數(shù)要大 5 到 6 個數(shù)量級，進而可以補償?shù)推焚|(zhì)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(gòu)孤子脈沖波形

研究人員利用兩種獨立的相位測量技術(shù)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(xué)濾波的辦法，利用搭建的光學(xué)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(chǎn)生過程并不是隨機性的，而是具有高度可重復(fù)性，并且孤子態(tài)穩(wěn)定，可以持續(xù)數(shù)個小時。

該研究結(jié)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(yīng)用，也將促進中紅外集成光譜儀等科學(xué)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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