美国科罗拉多大学博尔德分校黄书伟教授课题组联合南京大学谢臻达教授课题组，设计制备了高品质因子、大模式体积的渐变折射率多模光纤微腔，利用极小的模间色散以及布里渊效应，通过单一泵浦实现了微腔孤子的时空锁模，得到了时域上相互锁定、隶属于不同光纤横模的两组耗散克尔孤子光梳。并且实现的布里渊-克尔孤子光梳具有亚飞秒的超低时间抖动和百毫赫兹的极窄瞬时线宽，可看作“光子飞轮”。该研究成果以“Synthesized spatiotemporal mode-locking and photonic flywheel in multimode mesoresonators”为题发表于Nature Communications。

科罗拉多大学聂明明博士后为论文的第一作者。科罗拉多大学聂明明博士后、南京大学贾琨鹏博士后、南京大学谢臻达教授和科罗拉多大学黄书伟教授为论文共同通讯作者。该研究得到了南京大学祝世宁院士的悉心指导。科罗拉多大学谢翼骏亦有重要贡献。该研究由美国科罗拉大多大学和国家自然科学基金（NSF）、中国国家自然科学基金（NSFC）、国家重点研发计划、张江实验室、广东省基础与应用基础研究重大项目、江苏省前沿引领技术基础研究专项基金、江苏省自然科学基金等资助完成。

图1 多模微腔中的时空锁模及光子飞轮示意图

时空锁模多见于多模光纤锁模激光器，可产生多模大能量的锁模脉冲，且增加的横模自由度带来了丰富的非线性现象及动力学过程，目前仍是理论和实验研究的热点。要观测到显著的时空锁模现象，需要极小的模间色散。然而，微腔中多个模式之间的色散控制受限于腔尺寸及单一折射率，且同时激发多个模式需要多台单频激光器或者多个移频器，导致截至目前仍未观测到微腔中的时空锁模现象。

微腔中的布里渊-克尔孤子，最早于2020年被提出（Physical Review Letters 125, 143902）。利用单一泵浦和“两步泵浦”法，即可在微腔中产生布里渊激光及其激发的布里渊-克尔孤子光梳。受益于高品质因子光学谐振腔和布里渊效应的噪声抑制特性，产生的布里渊-克尔光梳线宽较泵浦具有压缩效果，同时孤子时间抖动也因失谐噪声的抑制而可达到量子噪声极限。然而，进一步的线宽压缩以及孤子时间抖动降低受限于腔的品质因子以及模式体积。同时，由于采用了单模光纤腔，无法观测到泵浦及布里渊激光同时分别激发的多横模克尔孤子光梳。

鉴于此，美国科罗拉多大学博尔德分校黄书伟教授课题组联合南京大学谢臻达教授课题组，设计制备了高品质因子、大模式体积的渐变折射率多模光纤微腔，利用极小的模间色散（< 1 fs/mm）以及布里渊效应，通过单一泵浦实现了微腔孤子的时空锁模，得到了时域上相互锁定、隶属于不同光纤横模的两组耗散克尔孤子光梳。并且实现的布里渊-克尔孤子光梳具有亚飞秒的超低时间抖动和百毫赫兹的极窄瞬时线宽，可看作“光子飞轮”。

横模可切换的孤子光梳

图2 （a）基于布里渊激光的孤子光梳；（b）基于泵浦激光的孤子光梳 图源：Nat Commun 13, 6395 (2022), Fig. 2

研究人员利用渐变折射率多模光纤制备了线宽小于1 MHz的高品质因子10-GHz FP微腔，其可有效降低孤子阈值及提高布里渊线宽压缩比。相比于之前的工作（Physical Review Letters 125, 143902），多模光纤模式面积大，不仅可有效降低腔模因膜系厚度带来的衍射损耗，同时也可增大模式体积，降低量子极限孤子时间抖动。

通过调整施加给光纤FP腔的应力，进而改变多模光纤的布里渊频移以及布里渊激光的失谐量，从而切换产生孤子光梳的横模（泵浦横模或布里渊激光横模）。图2a展示了基于布里渊激光的孤子光梳，其布里渊频移大于冷腔时的泵浦-布里渊谐振中心频率差。孤子稳定时布里渊激光处于红失谐状态，而泵浦激光处于蓝失谐状态，可有效补偿腔的热效应。图2b展示了基于泵浦激光的孤子光梳，其布里渊频移小于冷腔时的泵浦-布里渊谐振中心频率差。孤子稳定时泵浦激光处于红失谐状态，而布里渊激光处于蓝失谐状态，可有效补偿腔的热效应。

时空锁模孤子光梳

当布里渊频移等于冷腔时的泵浦-布里渊谐振中心频率差时，泵浦激光和布里渊激光可同时处于红失谐状态，从而各自产生孤子光梳。由于极小的模间色散（< 1 fs/mm）,两孤子光梳会因交叉相位调制而在时域上同步，形成稳定的时空锁模状态。图3a展示了时空锁模孤子光梳的光谱与横模，输出横模是两激光横模的叠加。为了增加时空锁模孤子的长时间相干性，研究人员利用锁相环（PLL）对泵浦激光频率进行控制，从10 Hz到1 MHz积分得到了仅为227 mrad的相位噪声，可认为对该合成的时空锁模孤子几乎没有影响。图3b展示了两锁定孤子光梳的互相关相位噪声谱以及积分得到的相位噪声。

图3 （a）时空锁模孤子光梳的光谱与横模；（b）利用相位噪声谱（上）和积分噪声（下）表征时空锁模孤子中心频率的相干性

图源：Nat Commun 13, 6395 (2022), Fig. 3

亚赫兹瞬时线宽的“光子飞轮”

受益于光纤FP腔品质因子的提高，得到的基于布里渊激光的克尔孤子光梳瞬时线宽可低至0.4 Hz （见图4a）。同时，由于多模光纤微腔的大模式体积可有效降低孤子时间抖动的量子噪声极限，得到的基于布里渊激光的克尔孤子的单边带相位噪声在10 kHz, 100 kHz以及1 MHz的傅里叶频率上分别为-125 dBc/Hz, -148 dBc/Hzy以及-168 dBc/Hz，性能相比于受限于量子噪声极限的布里渊-克尔光梳（Physical Review Letters 125, 143902）提升了8 dB，从40 kHz到1 MHz的积分得到的时间抖动仅为0.5 fs （见图4b）。

图4 （a）布里渊-克尔孤子光梳瞬时线宽；（b）积分得到的孤子时间抖动

图源：Nat Commun 13, 6395 (2022), Fig. 4

该工作验证了多模微腔中实现时空锁模的可能性，丰富与完善了光频梳的理论体系。利用渐变折射率多模光纤制备的微腔，不仅可产生多横模光梳从而在关键应用中发挥优势，如利用模分复用升光通信容量，而且有利于高维非线性腔动力学的研究。同时，该工作研发的布里渊-克尔孤子光梳在相位噪声以及线宽等关键性能上相比于传统微腔光频梳提升了数个量级，为光梳的关键应用如精密计量、光学原子钟、微波光子学等提供了理想光源。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34103-0

文章来源于两江科技评论微信公众号。