基于等离激元超构光纤的飞秒孤子分子调控新策略

《PhotoniX》：Modulation of ultrafast soliton molecules enabled by plasmonic metafibers

本文报道了一种利用等离激元超构光纤实现孤子分子(SMs)可控输出的创新方案。研究人员通过构建等离激元超构光纤饱和吸收体(SA)，在锁模光纤激光器中实现了脉冲数1-5个、时间间隔4-10 ps的孤子分子精准调控。该研究通过建立非线性薛定谔方程理论模型，有效解决了实验观测与理论预测间的鸿沟，为光学通信编码和光存储等应用提供了重要技术支撑。

　　

在超快光学研究领域，孤子分子作为一种特殊的脉冲束缚态，因其在光学通信编码和信息存储方面的应用潜力而备受关注。然而，传统锁模光纤激光器在实验制备特定脉冲数和时间间隔的孤子分子时面临严峻挑战，理论预测与实验结果之间存在显著差距。特别是二维材料饱和吸收体存在的损伤阈值低、调制深度小等局限性，严重制约了孤子分子的可控生成。《PhotoniX》最新发表的研究通过创新性地采用等离激元超构光纤，成功实现了孤子分子的精准调控，为解决这一难题提供了新思路。

本研究主要采用等离激元超构光纤制备技术、非线性光学表征系统、全光纤被动锁模激光器构建以及非线性薛定谔方程理论模拟等关键技术方法。其中等离激元超构光纤通过物理气相沉积55 nm金膜并结合聚焦离子束铣削技术制备，纳米棒结构参数经过精确设计。研究还建立了包含增益光纤、偏振控制器等元件的8.6米环形腔实验系统，并通过数值模拟分析了孤子分子的动力学行为。

光学表征超构光纤

研究人员首先通过自制透射显微镜对超构光纤的光学响应进行表征。实验结果显示，当入射光偏振方向从0°调整到90°时，共振波长处的透射强度仅增加10%，证实了器件的偏振敏感性。等离激元共振中心波长位于1575 nm附近，平均半高全宽为200 nm。在非线性光学表征中，当泵浦激光偏振平行于纳米棒长轴时，观察到57%的调制深度，远高于垂直偏振条件下的性能，这一优异特性为低阈值自启动锁模创造了条件。

基于超构光纤的超快脉冲产生

研究团队构建了反常色散全光纤被动锁模激光器系统，该系统包含980 nm泵浦激光器、波分复用器、0.8 m铒掺杂增益光纤等组件。在80 mW泵浦功率下，锁模脉冲中心波长为1562.6 nm，3 dB带宽为6.6 nm，光谱两侧出现的Kelly边带是锁模孤子脉冲的典型特征。脉冲间隔为43.4 ns，对应23.1 MHz的基础重复频率，射频频谱信噪比达65 dB，表明孤子脉冲具有极高的稳定性。通过强度自相关仪测量得到单脉冲宽度为470 fs，时间带宽积为0.381，表明输出脉冲存在轻微啁啾。

孤子分子脉冲数调控

孤子分子的形成经历单孤子失稳、多脉冲分裂、相互作用势捕获和相位锁定稳定四个阶段。当泵浦功率从100 mW增加到185 mW时，研究人员成功获得了包含2-5个孤子的分子态，时间间隔均为5 ps。随着孤子数量增加，单个孤子强度减弱，导致脉冲形态辨识难度增加。理论分析表明，时间间隔Δτ与光谱带宽Δλ满足Δτ=|λ_c²/(c×Δλ)|关系式，其中λ_c为中心波长，c为光速。通过分布式傅里叶算法数值模拟进一步揭示了孤子分子的形成机制：当小信号增益g₀增加时，主脉冲先增强后分裂，新产生的脉冲通过排斥和吸引相互作用最终形成稳定束缚态。

孤子分子脉冲间隔调控

通过偏振控制实现时间间隔的精准调控是本研究的重要突破。偏振控制通过有效双折射(B_eff)和有效长度(L_eff)两方面影响时间间隔调节。实验结果显示，通过调整偏振控制器，时间间隔可在4 ps到10 ps范围内切换，相应光谱带宽从2 nm调整到0.8 nm。理论模型在非线性薛定谔方程基础上引入相对相位差项Δφ=(γP₀L_eff/3)cos(2Δθ)，其中L_eff为有效光纤长度，P₀为峰值功率，Δθ为入射光与光纤慢轴夹角。当Δθ=π/4时，非线性相移达到最大值，恰好补偿由残余线性双折射引起的群速度失配，从而稳定束缚态。

本研究通过等离激元超构光纤与外部操控技术的创新结合，实现了孤子分子的可控输出。超构光纤57%的高调制深度特性使锁模阈值降低至50 mW，孤子分子构建阈值仅为92 mW。通过泵浦功率和偏振态的协同调控，成功实现了脉冲数1-5个、时间间隔4-10 ps的精准控制。建立的非线性薛定谔方程理论模型与实验结果高度吻合，为理解孤子分子形成机制、传输特性和自由调控提供了重要理论依据。该研究成果不仅推动了超快光学领域的发展，更为多字母通信编码、光学开关和分子光谱存储等应用开辟了新途径。