可编程脉宽与波长可调谐的铒掺杂主动锁模激光器在量子应用中的突破

本文推荐研究人员针对量子光学通信中高精度可调谐光源的需求，创新性地开发了基于脉冲调制（而非传统正弦调制）的可编程脉宽与波长可调谐铒掺杂主动锁模激光器（PWT-MLL）。通过建立离散耦合模式理论模型并结合数值模拟，系统研究了脉冲调制对脉宽调谐的影响及腔内滤波器性能。实验采用固定（0.7 nm）和可调（0.25 nm）两种光学带通滤波器（OBPF），在固定重复频率下实现了C波段波长调谐与脉宽调谐（2.3 ns-370 ps/700 ps-91 ps），同时揭示了调制占空比对超模抑制比（SMSR）和信噪比（SNR）的关键影响。该研究首次实现了波长、脉宽、重复频率和输出功率的独立控制，为量子密钥分发（QKD）和四波混频（FWM）光子对生成提供了理想泵浦源。

　　

在量子信息技术飞速发展的今天，高性能光子源已成为制约量子通信、量子密钥分发等应用发展的关键瓶颈。传统锁模激光器（Mode-Locked Laser, MLL）虽能产生超短脉冲，但其参数调控存在严重耦合——调整脉宽往往导致重复频率变化，而波长调谐又可能影响输出稳定性。这种"牵一发而动全身"的特性极大限制了其在需要精确参数匹配的应用场景中的使用，例如作为四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）过程的泵浦源时，既要求高峰值功率又需匹配单光子探测器（SPD）的门控时序。更棘手的是，现有基于正弦调制的MLL系统难以在保持重复频率不变的前提下实现宽范围脉宽调谐，这就像试图单独调节汽车的油门和刹车踏板却总是联动响应。

针对这一系列挑战，印度理工学院的研究团队在《Optical Fiber Technology》发表了一项突破性研究。他们另辟蹊径地采用脉冲调制替代传统正弦调制，成功研制出参数完全独立可调的可编程脉宽与波长可调谐铒掺杂主动锁模激光器（Pulse Width and Wavelength Tunable MLL, PWT-MLL）。这项研究不仅解决了参数耦合这一困扰领域多年的难题，更通过创新的理论建模和实验设计，为量子光学实验提供了前所未有的灵活光源解决方案。

研究团队主要运用了三种关键技术：1）基于离散耦合模式的数值建模方法，用于模拟脉冲调制下的激光动力学；2）采用可调光纤布拉格光栅（Tunable Fiber Bragg Grating, TFBG）和密集波分复用（DWDM）滤波器构建的双滤波系统；3）脉冲射频调制技术，通过精确控制占空比实现超模噪声调控。实验使用30米铒掺杂光纤（Er-doped fiber）作为增益介质，泵浦电流固定为120 mA以确保13 dB的增益匹配。

工作原理解析
理论模型揭示了脉冲调制相较于正弦调制的独特优势：通过将腔损耗调制转化为离散的"开关"操作，使脉宽调谐不再依赖于重复频率。数值模拟显示，当采用0.25 nm窄带可调滤波器时，系统支持更宽的脉宽调谐范围（2.3 ns-370 ps），这得益于窄带滤波对高阶色散的补偿作用。

实验系统构建
创新性地设计了包含双滤波结构的环形腔激光器：固定DWDM滤波器（0.7 nm带宽）用于基础研究，而TFBG系统（0.25 nm带宽）则实现C波段（1525-1570 nm）连续调谐。关键发现是TFBG在2%-50%占空比范围内能保持27 dB的超模抑制比（SMSR），远优于DWDM滤波器在低占空比下的性能劣化。

结果与讨论
实验数据证实了理论预测的独立性调控：1）脉宽调谐范围达2.3 ns-91 ps，且与重复频率（固定为100 MHz）完全解耦；2）C波段波长调谐不影响时域特性；3）信噪比（SNR）稳定在50 dB左右。特别值得注意的是，窄带TFBG系统展现出更优的长期稳定性，这对需要连续数小时运行的量子实验至关重要。

研究结论
这项研究实现了MLL发展史上的重要突破：首次证明波长、脉宽、重复频率和功率四大参数可独立精确控制。TFBG滤波方案在保持高SMSR方面的优势，使其特别适合作为量子光源的泵浦。该成果不仅解决了量子光学实验中的光源匹配难题，其脉冲调制策略更为新型可调谐激光器设计提供了普适性框架。未来通过优化滤波器带宽与调制波形，有望进一步扩展参数调谐范围，推动量子通信、光学采样等领域的创新发展。