光孤子自頻移的發(fā)現(xiàn)

光孤子自頻移現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)作者信息F.M.Mitschke*andL.F.MollenauerAT&TBellLaboratories,Holmdel,NewJersey07733

ReceivedMay12,1986;acceptedJuly16,1986

正文實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光孤子沿光釬傳輸時(shí)，其光學(xué)頻率會(huì)發(fā)生連續(xù)移位，我們對(duì)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(duì)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(duì)于幾個(gè)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的孤子特性比較符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果［1］。然而一些論文也指出，對(duì)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(xiàng)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?cè)趯?shí)驗(yàn)中研究了亞微秒脈沖在幾個(gè)長度的單模保偏光釬中傳播的特性，并確實(shí)發(fā)現(xiàn)了新的孤子行為。但主要效果更加強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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）是由0激光控制光纖的長度L所決定的。實(shí)驗(yàn)發(fā)射的脈沖波長九近似于1.5卩m，相應(yīng)的光頻率v為200THz。我們將這些脈沖發(fā)射到長度為L的測試光釬中，并且分析了其脈0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P可以通過測量光纖平均輸出功率P，脈沖寬度和100-MHz重復(fù)率來計(jì)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(huì)對(duì)脈沖形狀有明顯的影響。我們使用測試光纖的長度L>>Z［孤子周期Z與t2/D成比例，例如，當(dāng)t=5000000fsec，D=15psec/nm/km時(shí)，Z沁7m（參考文獻(xiàn)1）］。我們通過調(diào)節(jié)輸入耦合效率來0改變測試光釬的平均輸出功率P來固定L和T的值。和預(yù)期的一樣，當(dāng)脈沖峰值功0率P遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)孤子功率P時(shí)，我們可以看到脈沖被大大的加寬（ta45psec， =42010fsec，L=392m）。當(dāng)我們?cè)黾庸β蕰r(shí)，輸出脈沖變得更窄，直到在一個(gè)特定的功率處，對(duì)于我們使用的幾個(gè)L的值，生成了具有新的寬度和形狀的脈沖。而該L值與由光釬參數(shù)計(jì)算的P的理論值一致平均輸出功率P進(jìn)一步增加時(shí)，輸出脈沖將變得更1窄。到目前為止，一切都符合標(biāo)準(zhǔn)理論。但是，當(dāng)P略大于P時(shí)，我們?cè)谧韵嚓P(guān)信號(hào)中也可以看到衛(wèi)星脈沖（圖1）,這意1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(shí)對(duì)測試光釬的輸出頻譜的觀察將會(huì)有啟發(fā)性作用（圖2）。在輸入脈沖頻率為V時(shí)，我們可以看到峰值寬度比輸入脈沖的頻譜稍窄，因此其對(duì)應(yīng)一個(gè)較0長的脈沖（T>T）。當(dāng)頻率V<V時(shí)，將有一個(gè)寬峰出現(xiàn)，其對(duì)應(yīng)一個(gè)比光釬輸入脈00沖更短的脈沖（T<T）。0兩個(gè)光譜特征脈沖頻率之間的頻率間隔AV主要由P決定。而圖3顯示了在幾個(gè)不同的P處的光譜，證明了這一點(diǎn)。圖4將圖3中的數(shù)據(jù)以AV1/2和P的比例關(guān)系畫出。注意到兩個(gè)脈沖功率間隔為P，其數(shù)量級(jí)和針對(duì)光纖輸入脈沖寬度計(jì)算的P一致，SEP 1但數(shù)值上不完全一樣。然而，不能忽略的是，P］的這個(gè)值不一定有意義，因?yàn)楣饫w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（L=392m）相關(guān)參數(shù)為：t=500fsec,0P沁1.5P掃描寬度為60psec1圖2在392-m測試光纖的輸出端的脈沖的典型光譜（實(shí)驗(yàn)參數(shù)和圖1一致）掃描寬度是標(biāo)準(zhǔn)具的一個(gè)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V0ths]圖352-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P成比例，t=475fsec，在此基礎(chǔ)下，頂部曲線對(duì)應(yīng)的P沁1.5P0110 1S 20 2Sp[mw]圖4橫坐標(biāo)為光纖中的P，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的頻移的平方根兩個(gè)量都是從圖3中測量所得（見正文）我們還粗略的測試了AV和光釬長度L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(shí)驗(yàn)。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)值為整個(gè)光纖頻移量的13%和87%的頻移。然而，我們得到的兩個(gè)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(qiáng)頻移。我們將在這里給出對(duì)上述實(shí)驗(yàn)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)具有略高于許的功率的脈沖發(fā)射到光纖中時(shí)，最終將會(huì)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(huì)被除去；它是作為頻率為V的相對(duì)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0速度色散，兩個(gè)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(duì)于拉曼泵浦和信號(hào)之間的小頻率差5V，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(shí)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(jí)別為一2（在參考文獻(xiàn)8中，每單位長度的自頻移AV單位級(jí)別近似為T-4）。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?V功率處的光譜0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(shí)體存在。關(guān)于初始分離兩個(gè)光譜特征的精確機(jī)理尚未被完全理解。然而，一旦兩個(gè)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(qiáng)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?yàn)橐阎?dāng)P工P，脈沖形狀達(dá)到穩(wěn)定之前，在幾個(gè)Z上的脈10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，因頻移受工的影響較大，頻移更強(qiáng)。隨著平均功率P（圖4）的增加、AV和t之間的強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)性以及孤子脈沖寬度t的穩(wěn)定下降，又在一定程度上導(dǎo)致了AV的增加。因?yàn)楣伦用}沖功率P數(shù)量級(jí)為T-2，原1預(yù)測的近似比例關(guān)系由AVXT-4轉(zhuǎn)變?yōu)锳VgP2。因此，如果P以某種方式P與成比11例，將導(dǎo)致圖4中的AV和P的二次相關(guān)（除去零偏移）。另一方面，人們最初可能會(huì)認(rèn)為孤子能量（gPt）與P成比例，這將導(dǎo)致AV對(duì)P4的依賴。明顯的不一致性1可以通過以下事實(shí)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AV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(shí)驗(yàn)和理論工作。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們無法將比P-3P更多的功率耦合到測試光纖中。但是，對(duì)于可1用的功率，我們觀察到光釬輸入頻移高達(dá)8THz（此時(shí)L=392m, =560fsec,=2600fsec）。相同條件下，參考文獻(xiàn)8中得出的預(yù)測為4THz。這個(gè)結(jié)果大約與預(yù)期的一樣好，主要是因?yàn)橛?jì)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(shí)，孤子光譜峰高僅增加大約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t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V的4%。然而，這絕不是極限。使用t=1200fsec的脈沖，我們獲得了20THz（10%）頻移，但僅在使用52米光纖時(shí)才出現(xiàn)。兩個(gè)結(jié)果的比較證實(shí)了預(yù)測的T-4相關(guān)性在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)。使用更短的脈沖時(shí)，幾十兆赫的頻移發(fā)生在僅僅幾米的光釬中，實(shí)驗(yàn)中要注意到這一點(diǎn)。自頻移也可能可以通過添加增加拉曼增益的摻雜劑（例如GeO）而放大。因此，可以利用該原理來從相2同的激光源導(dǎo)出不同光頻率的飛秒脈沖（甚至可能在激光器調(diào)諧范圍之外）。這可以運(yùn)用到泵浦探針實(shí)驗(yàn)之中。注意到孤子自頻移不會(huì)對(duì)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T>20psec的脈沖，而頻移的數(shù)量級(jí)為T-4，使其對(duì)寬度t>20psec的脈沖的影響可以忽略。然而，任何亞皮秒級(jí)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)L.F.Mollenauer,R.H.Stolen,andJ.P.Gordon,Phys.Rev.Lett.45,1095(1980).A.HasegawaandY.Kodama,Proc.IEEE69,1145(1981).E.A.Golovchenko,E.M.Dianov,A.M.Prokhorov,andV.N.Serkin,JETPLett.42,87(1985).D.N.ChristodoulidesandR.I.Joseph,Appl.Phys.Lett.47,76(1985).F.MitschkeandL.F.Mollenauer,"Stabilizingthesoli-tonlaser,"submittedtoIEEEJ.QuantumElectron.L.F.MollenauerandR.H.Stolen,Opt.Lett.9,13(1984).L.F.Mollenauer,Phil.Trans.R.Soc.Lo