光孤子自頻移的發(fā)現(xiàn)

1、光孤子自頻移現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)作者信息F. M. Mitschke* and L. F. MollenauerAT&T Bell Laboratories, Holmdel, New Jersey 07733Received May 12, 1986; accepted July 16, 1986正文 實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光孤子沿光釬傳輸時，其光學(xué)頻率會發(fā)生連續(xù)移位，我們對其進(jìn)行了描述。這種效應(yīng)是由孤子的拉曼自泵浦引起的，在這過程中能量從頻譜的高頻部分轉(zhuǎn)移到低頻部分。對于120-fsec脈沖而言，我們發(fā)現(xiàn)其凈頻移達(dá)到了光學(xué)頻率的10%。 對于幾個皮秒或更高的脈沖寬度而言，使用非線性薛定諤方程描述光釬中

2、的孤子特性比較符合實驗結(jié)果1。然而一些論文也指出，對于亞皮秒的脈沖寬度，近似隱式方程不再有效2-4。尤其是在這些研究已經(jīng)考慮了高階色散和非線性項的潛在影響的前提下。 為了進(jìn)一步探索預(yù)測的結(jié)果，我們在實驗中研究了亞微秒脈沖在幾個長度的單模保偏光釬中傳播的特性，并確實發(fā)現(xiàn)了新的孤子行為。但主要效果更加強大，與那些預(yù)測結(jié)果有明顯的區(qū)別。相反的是，根據(jù)拉曼效應(yīng)，將存在一股從孤子的較高頻率分量到較低頻率分量的穩(wěn)定的能量流。因此，我們稱這種效應(yīng)為光孤子的自頻移效應(yīng)。 孤子激光器的發(fā)展大大促進(jìn)了我們實驗的進(jìn)行。我們現(xiàn)有的孤子激光器可以提供具有穩(wěn)定峰值功率的輸出脈沖流6.7。而在之前，鋸齒形脈沖的寬度（半高寬

3、）是由激光控制光纖的長度所決定的。實驗發(fā)射的脈沖波長近似于1.5，相應(yīng)的光頻率為200THz。我們將這些脈沖發(fā)射到長度為的測試光釬中，并且分析了其脈沖形狀以及當(dāng)其分別通過自相關(guān)器和掃描法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具后從另一測試光纖端出射的脈沖光譜。脈沖峰值功率可以通過測量光纖平均輸出功率，脈沖寬度和100-MHz重復(fù)率來計算。激光器通過YIG法拉第旋轉(zhuǎn)器和偏振器與測試光纖隔離，且其不會對脈沖形狀有明顯的影響。 我們使用測試光纖的長度>>孤子周期與成比例，例如，當(dāng)=500 fsec，D=15 psec/nm/km時，7m（參考文獻(xiàn)1）。我們通過調(diào)節(jié)輸入耦合效率來改變測試光釬的平均輸出功率來固定和的

4、值。和預(yù)期的一樣，當(dāng)脈沖峰值功率遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)孤子功率時，我們可以看到脈沖被大大的加寬（45 psec，= 420 fsec，= 392m）。當(dāng)我們增加功率時，輸出脈沖變得更窄，直到在一個特定的功率處，對于我們使用的幾個的值，生成了具有新的寬度和形狀的脈沖。而該值與由光釬參數(shù)計算的的理論值一致平均輸出功率進(jìn)一步增加時，輸出脈沖將變得更窄。到目前為止，一切都符合標(biāo)準(zhǔn)理論。 但是，當(dāng)略大于時，我們在自相關(guān)信號中也可以看到衛(wèi)星脈沖（圖1），這意味著脈沖在光纖中的某處分裂成兩部分。而功率的進(jìn)一步增加將使衛(wèi)星脈沖從中心峰向兩邊移開。此時對測試光釬的輸出頻譜的觀察將會有啟發(fā)性作用（圖2）。在輸入脈沖頻率為時，

5、我們可以看到峰值寬度比輸入脈沖的頻譜稍窄，因此其對應(yīng)一個較長的脈沖（>）。當(dāng)頻率<時，將有一個寬峰出現(xiàn)，其對應(yīng)一個比光釬輸入脈沖更短的脈沖（<）。 兩個光譜特征脈沖頻率之間的頻率間隔主要由決定。而圖3顯示了在幾個不同的處的光譜，證明了這一點。圖4將圖3中的數(shù)據(jù)以和的比例關(guān)系畫出。注意到兩個脈沖功率間隔為，其數(shù)量級和針對光纖輸入脈沖寬度計算的一致，但數(shù)值上不完全一樣。然而，不能忽略的是，的這個值不一定有意義，因為光纖末端（或許是其大部分光釬長度處）的脈沖寬度與光纖輸入處的脈沖寬度不同。圖1 測試光釬末端脈沖的自相關(guān)軌跡（= 392m） 相關(guān)參數(shù)為：= 500 fsec，1.5

6、掃描寬度為60psec圖2 在392-m測試光纖的輸出端的脈沖的典型光譜（實驗參數(shù)和圖1一致）掃描寬度是標(biāo)準(zhǔn)具的一個自由光譜范圍（4.6THz），頻率向右增加，邊緣附近的窄峰的頻率為圖3 52-m測試光纖輸出脈沖在各功率下的光譜 所有曲線都有相同的尺度，但垂直移位與光釬中的成比例，= 475 fsec，在此基礎(chǔ)下，頂部曲線對應(yīng)的1.5圖4 橫坐標(biāo)為光纖中的，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的頻移的平方根 兩個量都是從圖3中測量所得（見正文） 我們還粗略的測試了和光釬長度的關(guān)聯(lián)性。我們將392米的光釬切成兩部分，長度分別為52米和340米，并分別進(jìn)行了實驗。如果頻移嚴(yán)格地與光纖長度成比例，那么我們能夠分別得到數(shù)值為

7、整個光纖頻移量的13%和87的頻移。然而，我們得到的兩個頻移量分別為總頻移量的24%和88。因此，我們認(rèn)為在較短的那一部分光釬中可能發(fā)生了更加強頻移。 我們將在這里給出對上述實驗現(xiàn)象的大體定性解釋；自頻移現(xiàn)象的詳細(xì)理論將在Gordon的其他地方提出8。當(dāng)具有略高于的功率的脈沖發(fā)射到光纖中時，最終將會形成基本孤子。在形成該孤子的過程中任何不需要的額外功率都會被除去；它是作為頻率為的相對較窄的光譜峰值的一部分出現(xiàn)的。在孤子發(fā)生自頻移之后，由于群速度色散，兩個脈沖以不同的頻率和速度通過光釬。因此，可以理解為什么在自相關(guān)中檢測到雙脈沖。 由于光纖中的寬拉曼增益譜一直延伸到零失諧，因此孤子自偏移過程是可

8、能的，且其中脈沖頻譜的較高頻率分量用作其較低頻率的拉曼泵浦（對于拉曼泵浦和信號之間的小頻率差，拉曼增益與其近似成比例）9。因此，單位長度光纖中的頻移量主要取決于脈沖的頻譜寬度。也就是說，當(dāng)脈沖變得更窄且其頻譜相應(yīng)地變得更寬的時候，能快速反映拉曼增益的變化。此外，孤子頻移量應(yīng)該與孤子功率成比例增加，孤子功率單位級別為（在參考文獻(xiàn)8中，每單位長度的自頻移單位級別近似為）。因此，孤子的更高的峰值功率和更寬的光譜導(dǎo)致其發(fā)生比在功率處的光譜窄峰更高程度的自頻率偏移。然而，值得注意的是，盡管能量連續(xù)地傳遞到較低的頻率，孤子仍繼續(xù)作為穩(wěn)定的實體存在。 關(guān)于初始分離兩個光譜特征的精確機(jī)理尚未被完全理解。然而，

9、一旦兩個光譜特征發(fā)生了分離，孤子自頻移和擴(kuò)散的組合效應(yīng)提供了比以往提出的進(jìn)一步分離更強大的機(jī)制。 一旦孤子穩(wěn)定下來，拉曼位移量將與光釬長度成比例。在光纖的初始部分中的過度頻移是可以理解的，因為已知當(dāng)，脈沖形狀達(dá)到穩(wěn)定之前，在幾個上的脈沖寬度和峰值功率都存在一些振蕩。但是，在脈沖較窄的位置，因頻移受的影響較大，頻移更強。 隨著平均功率（圖4）的增加、和之間的強烈關(guān)聯(lián)性以及孤子脈沖寬度的穩(wěn)定下降，又在一定程度上導(dǎo)致了的增加。因為孤子脈沖功率數(shù)量級為，原預(yù)測的近似比例關(guān)系由轉(zhuǎn)變?yōu)?。因此，如果以某種方式與成比例，將導(dǎo)致圖4中的和的二次相關(guān)（除去零偏移）。另一方面，人們最初可能會認(rèn)為孤子能量（）與成比例

10、，這將導(dǎo)致對的依賴。明顯的不一致性可以通過以下事實來解決：隨著功率增加，輸入脈沖能量的較小部分在孤子中表現(xiàn)出來。然而，在和功率的依存關(guān)系被充分表出和完全理解之前，需要更多的實驗和理論工作。 在整個實驗中，我們無法將比更多的功率耦合到測試光纖中。但是，對于可用的功率，我們觀察到光釬輸入頻移高達(dá)8THz（此時= 392m，= 560 fsec，=260 fsec）。相同條件下，參考文獻(xiàn)8中得出的預(yù)測為4THz。這個結(jié)果大約與預(yù)期的一樣好，主要是因為計算中不包括光纖的第一部分中的過度頻移并考慮到了光纖參數(shù)和脈沖性質(zhì)的不確定性。 最初可以明顯看出的是，當(dāng)頻移量從0THz變到8THz時，孤子光譜峰高僅增

11、加大約20%。但在參考文獻(xiàn)8中可以看出，孤子的功率譜中的峰值W(0)與脈沖寬度無關(guān)，而與光纖色散D成正比。在觀察到的頻移的范圍上，D變大了約15。這解釋了觀察到的大多數(shù)的W(0)變化情況。 注意到8THz頻率的頻移已經(jīng)是光頻率的4。然而，這絕不是極限。使用=120 fsec的脈沖，我們獲得了20THz（10）頻移，但僅在使用52米光纖時才出現(xiàn)。兩個結(jié)果的比較證實了預(yù)測的相關(guān)性在實驗誤差范圍內(nèi)。使用更短的脈沖時，幾十兆赫的頻移發(fā)生在僅僅幾米的光釬中，實驗中要注意到這一點。自頻移也可能可以通過添加增加拉曼增益的摻雜劑（例如）而放大。因此，可以利用該原理來從相同的激光源導(dǎo)出不同光頻率的飛秒脈沖（甚至

12、可能在激光器調(diào)諧范圍之外）。這可以運用到泵浦探針實驗之中。 注意到孤子自頻移不會對基于孤子的遠(yuǎn)程通信方案造成太大的影響10：由于其他原因，最佳方案是使用寬度的脈沖，而頻移的數(shù)量級為，使其對寬度的脈沖的影響可以忽略。然而，任何亞皮秒級電信通信方案似乎都被放棄。孤子的自身頻率偏移也可以影響孤子激光器可取脈沖寬度的下限。到目前為止，已經(jīng)可以直接從孤子激光器獲得約60fsec的脈沖寬度，并且在短光釬之中已經(jīng)被壓縮減少到約19fsec。參考文獻(xiàn)1.L. F. Mollenauer, R. H. Stolen, and J. P. Gordon, Phys.Rev. Lett. 45, 1095 (198

13、0).2.A. Hasegawa and Y. Kodama, Proc. IEEE 69, 1145(1981).3.E. A. Golovchenko, E. M. Dianov, A. M. Prokhorov, and V. N. Serkin, JETP Lett. 42, 87 (1985).4.D. N. Christodoulides and R. I. Joseph, Appl. Phys. Lett.47, 76 (1985).5.F. Mitschke and L. F. Mollenauer, "Stabilizing the soli-ton laser," submitted to IEEE J. Quantum Electron.6.L. F. Mollenauer and R. H. Stolen, Opt. Lett. 9, 13(1984).7.L. F. Mollenauer, Phil. Trans. R. Soc. London Ser. A 315,437 (