江蘇師范大學(xué)的研究人員通過數(shù)值模擬的方法首次揭示了光纖激光器中初始條件對暗孤子脈沖形成的影響，研究結(jié)果表明，與暗孤子在光纖中無閾值形成的特性不同，在光纖激光器中暗孤子的生成是受初始條件約束的。不是所有的初始凹陷都可以演變?yōu)榘倒伦?，更為神奇的是初始輸入的亮脈沖也有可能演化為暗孤子輸出。該研究成果近日發(fā)表在《應(yīng)用光學(xué)》（AppliedOptics.2015,54(1),71-77）上。

　　孤子是指在介質(zhì)中傳播時可以保持形狀不變的一種特殊的波包。脈沖在光纖激光器中形成時，雖然在激光器內(nèi)脈沖的性能參數(shù)發(fā)生周期性變化，但在激光器腔內(nèi)的固定位置，在穩(wěn)態(tài)時脈沖的性能參數(shù)不變，在這個意義上我們將光纖激光器中形成的超短脈沖也稱之為“孤子”。脈沖強度高于背景的一般稱為“亮脈沖”；脈沖強度低于背景的一般稱為“暗脈沖”。對應(yīng)于激光器的兩種基本工作形態(tài)：亮脈沖和暗脈沖，在光纖激光器中可以產(chǎn)生亮孤子和暗孤子。由于孤子的傳播不變特性和孤子寬度的極窄化（一般孤子寬度可以小于皮秒），孤子通訊一直被認(rèn)為是下一代通訊系統(tǒng)的首選對象。而暗孤子與亮孤子相比，暗孤子對噪音和光纖傳輸損耗比較不敏感，因此是光通訊的未來之星。隨著對通訊帶寬及速率需求的迅猛增長，目前的波分復(fù)用技術(shù)已經(jīng)達(dá)到一個瓶頸，因此，越來越多的研究者重新對孤子通訊產(chǎn)生興趣，這也加速了對暗孤子光纖激光器的研究。

　　2009年，新加坡南洋理工大學(xué)的研究小組首次在光纖激光器中實現(xiàn)暗脈沖輸出(H.Zhangetal.,Phys.Rev.A,80,045803(2009))，2010年美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的StevenT.Cundiff研究組在量子點激光器中觀測到穩(wěn)定的暗脈沖輸出，并預(yù)言暗脈沖激光的出現(xiàn)將對光通信領(lǐng)域有著重要的影響(M.M.Fengetal.,Opt.Express18,13385-13395(2010))。

　　江蘇師范大學(xué)的研究小組以摻鉺光纖激光器為研究對象，通過數(shù)值模擬研究了不同初始脈沖在相同的操作條件下的腔內(nèi)演變過程。研究結(jié)果表明暗孤子是可以在光纖激光器中產(chǎn)生的，但對初始脈沖的參數(shù)有要求。暗孤子在光纖中可以由任意的初始凹陷演變而成，即暗孤子在光纖中的傳播形成是沒有閾值效應(yīng)的。與此形成對比的是：在光纖激光器中，不是任何一個初始凹陷都可以轉(zhuǎn)變?yōu)榘倒伦虞敵?。在光纖激光器中要想形成暗孤子輸出，除了光纖激光器的運行條件要滿足一定要求，對初始脈沖的參數(shù)也有一定要求：在脈沖演變過程中產(chǎn)生相位突變，并且該相位突變可以保持并逐步演變?yōu)?pi;，在這種情況下才可以產(chǎn)生穩(wěn)定的暗孤子輸出，如圖一所示。只要初始脈沖在腔內(nèi)的演變過程可以滿足上述條件即可得到暗孤子輸出，即使初始脈沖是亮脈沖也可以最終形成穩(wěn)定的暗孤子輸出，圖二給出了具有不同脈沖形狀的亮脈沖最終都形成了暗孤子輸出。對暗孤子形成過程的數(shù)值模擬為暗孤子激光器的實驗設(shè)計，以及為下一步實現(xiàn)穩(wěn)定的參數(shù)可控的暗孤子輸出提供了可靠的理論指導(dǎo)。

　　此項研究得到了國家自然科學(xué)基金委、江蘇省科技廳、江蘇省教育廳（江蘇省優(yōu)勢學(xué)科和江蘇省高校協(xié)同創(chuàng)新中心）的資助支持，由江蘇省先進(jìn)激光材料與器件重點實驗室趙鷺明教授領(lǐng)銜的研究小組完成。目前，研究人員正在積極開展后續(xù)研究，并期望早日實現(xiàn)首臺穩(wěn)定可控的暗孤子光纖激光器。