普渡大学研究人员已经使用极小的微环（左上）来产生称为孤子的单脉冲光，这有助于发展先进的光学技术。两幅图显示了切伦科夫辐射现象与单孤子产生之间的关系。援引：普渡大学照片/ Chengying Bao

研究人员通过使用极小的环形微谐振器，能够更轻松地利用称为孤子的单脉冲光，从而有助于开发高级传感器、高速光通信和研究工具。

使用小到足以安装在电子芯片上设备的孤子能够应用到众多领域，包括从检测化学品和生物化合物的微型光学传感器传输到高精度光谱和光通信系统，从而能够更高质量的传输大量信息。

研究人员已经成功一次性地产生几个孤子和单孤子; 然而，需要相对复杂的“主动调谐”或控制。现在，新的研究结果描述了一种被动的方法，可以避免对产生单孤子的主动控制的需要。

普渡大学西弗里斯家族电气与计算机工程系特聘教授Andrew M. Weiner说：“我们的工作确定了一种引导该系统获得单一稳定孤子的新方式。”

该方法已经显示了如何利用一种称为切伦科夫辐射的现象，这种现象通常阻碍着开发基于孤子的实用微谐振器装置。

“这项工作的重要创新之处在于，这种切伦科夫的影响并不仅仅像通常认为的是有害的，实际上可以在某些情况下被利用来引导你获得漂亮干净的单孤子。”Weiner说。“所以，我们可以将切伦科夫辐射作为我们的优势。”

研究人员得知，切伦科夫辐射中度弱源促进了单孤子的产生。“我们发现，如果强度恰到好处，可以得到一个单孤子，这是非常有用的，” Weiner说。

含有详细结果的研究论文于8月22日发表在《Optica》期刊上。该文的第一作者是普渡大学博士后副研究员Chengying Bao。

孤子是在微环谐振器内形成的短且高度稳定的光脉冲，并稳定地以环形方式传播。“每环绕一次，一小部分孤子的功率耦合在环上，可以在测量和应用中使用，”Weiner说。

这种情况每秒发生数百亿次，因为微小结构周围的一次环绕只需要几皮秒，甚至只有万亿分之一秒。

光脉冲的这种周期性序列形成了包含大量等间隔光频率的“频率梳”。十五年前的“锁模”激光器展示了频率梳，对各种精密测量技术产生了革命性的影响，并在2005年荣获了诺贝尔物理学奖。然而，锁模激光器体积相对较大且成本高昂 ，这影响了在专业实验室以外的部署，Weiner说。

在普渡大学的研究中使用的微环，半径约为100微米（约为一张纸的厚度），用氮化硅薄膜制成，该材料与用于电子学的硅材料相容。因此，微谐振器极具潜力获得更小、成本更低的光学频率梳，能够适应更广泛的应用。

当微环内存在多于一个孤子时，频率梳中不同的光谱线或光的颜色可能会有不同的强度变化。

“有些将变强，但有些将会更弱，对应用来说无用，”Weiner说。

然而，在微环内产生一个单孤子有利于获得光滑的频率梳。

他说：“通过产生单孤子能够保证有平滑的包络，这样就不会失去大部分能量，这将是非常有用的。”

产生孤子通常需要对“连续抽运激光器”的精确控制和调谐。仅产生单孤子需要更加复杂的调谐，这使得这个方法很艰难。然而，新的研究结果表明，通过利用光学切伦科夫辐射显着简化控制过程，有可能被动地产生单孤子。

“为了获得单孤子，切伦科夫辐射的能量损失既不能太弱，也不能太强，” Weiner说。“目前制造过程还不能充分控制切伦科夫辐射的强度。”

然而，未来的工作可能倾向于探索如何通过基于两个紧密相邻的微环之间的耦合，通过更精密的设计来更积极地控制效果，这些微环可以通过加热调节。

单孤子梳可以在光纤中传输数百个独立的通信通道，用于精确的多频光学传感器，用于环境监测的空气污染物探测，以及用于守时设备或导航设备的超精密“光学钟”。

“基于激光器的更大频率梳，使得环境监测真的开始发生了。但是，我们可以以更低的成本和芯片级的光源来广泛使用吗？” Weiner说。 “我们还没有，但很有潜力。”

来源：https://phys.org/news/2017-10-solitons-optical-technologies.html

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