▍本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

▍導(dǎo)讀

近日，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院孫琪真教授課題組、唐霞輝教授課題組與重慶大學(xué)光電工程學(xué)院羅亦楊副教授課題組及南方科技大學(xué)沈平教授課題組合作，報(bào)道了可編程增益控制的自組裝脈沖相位演化，并定義了四個(gè)相位演化區(qū)間，由此構(gòu)建了一種基于自組裝脈沖相位定制的四進(jìn)制編碼格式。論文通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相位定制方法的有效性。

該研究成果近日發(fā)表在Light: Science & Applications，題為“Phase-tailored assembly and encoding of dissipative soliton molecules”。華中科技大學(xué)與重慶大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉雨松為論文的第一作者，重慶大學(xué)羅亦楊副教授和華中科技大學(xué)孫琪真教授為論文的共同通訊作者。

近年來，超快光纖激光器中產(chǎn)生的超短脈沖激發(fā)了超快科學(xué)和信息技術(shù)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。這種超短脈沖在激光器內(nèi)部傳輸時(shí)會(huì)受到增益與損耗、色散與非線性的復(fù)合平衡作用。類比物質(zhì)粒子，超短脈沖相互間的糾纏作用引入了豐富的多脈沖動(dòng)力學(xué)過程。增益動(dòng)力學(xué)、非線性效應(yīng)、色散及光聲效應(yīng)等參量的作用使得不同數(shù)量的超短脈沖能夠以不同的排列方式自發(fā)地進(jìn)行組裝。而對(duì)這些自組裝脈沖的時(shí)域排布和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的研究也指引了自組裝脈沖人工操控的深入探索。

同時(shí)，超快光學(xué)的前沿研究及多樣化的應(yīng)用需求也推動(dòng)了超短脈沖操控機(jī)理的縱深探索，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)著超快激光精密控制技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。通過主動(dòng)控制或被動(dòng)反饋控制來改變激光器腔內(nèi)增益、能量、濾波效應(yīng)、偏振態(tài)等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自組裝脈沖振幅、波長(zhǎng)、脈寬、波形、光譜等特性的調(diào)控。對(duì)這些脈沖特性的精準(zhǔn)人工操控也為超快激光測(cè)量、光存儲(chǔ)、光計(jì)算等應(yīng)用場(chǎng)景提供新的思路。因此，如何實(shí)現(xiàn)自組裝脈沖相位特征的精準(zhǔn)切換以及按需重構(gòu)，成為了智能控制超快激光的關(guān)鍵難點(diǎn)。

在本工作中，研究人員通過精細(xì)地調(diào)控超快光纖激光器的腔內(nèi)增益，對(duì)自組裝脈沖的內(nèi)部相位演化進(jìn)行了人工操控與分類研究，揭示了增益對(duì)自組裝脈沖瞬態(tài)演化的影響。根據(jù)相位演化特征的不同，定義了四個(gè)自組裝脈沖相位演化區(qū)間，分別表現(xiàn)為“無”相位，“負(fù)向”相位，“穩(wěn)定”相位和“正向”相位（圖1a）。對(duì)應(yīng)的四種自組裝脈沖相位演化示例如圖1b所示，相位向不同的方向演化，具有很高的可識(shí)別度。

圖1：(a)增益控制的自組裝脈沖相位演化。(b)四個(gè)區(qū)間的相位演化示例。

此外，研究人員通過對(duì)激光器泵浦進(jìn)行周期性的電調(diào)制，使得腔內(nèi)增益快速變化，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)自組裝脈沖進(jìn)行確定性的組裝或解離，對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)光譜演化如圖2a所示。結(jié)合實(shí)時(shí)光譜干涉法，對(duì)自組裝脈沖的相位演化進(jìn)行解析，揭示了脈沖切換的具體過程及其操控機(jī)制（圖2b）。這種對(duì)激光器增益的精準(zhǔn)調(diào)制為實(shí)現(xiàn)自組裝脈沖的快速人工操控提供了一種高效的方法。

圖2：四個(gè)相位區(qū)間之間的全光切換。(a)實(shí)時(shí)光譜演化圖。(b)自組裝脈沖相位演化。

由于這四個(gè)區(qū)間的相位符號(hào)具有很高的可識(shí)別度，因此被用于構(gòu)建一種新的基于相位定制的四進(jìn)制編碼格式。一個(gè)bit的時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)置為200微秒。通過設(shè)定合適的相位閾值來判定自組裝脈沖的相位演化類別，進(jìn)而識(shí)別每一個(gè)bit內(nèi)存儲(chǔ)的相位信息。這種對(duì)激光器增益的精細(xì)電調(diào)制實(shí)現(xiàn)了具有高保真度的相位定制編碼。此外，對(duì)自組裝脈沖相位演化的解算較為簡(jiǎn)單，這也確保了對(duì)相位信息的快速解碼。為了驗(yàn)證該相位定制編碼的可用性，研究人員將一個(gè)單詞“fiber”編入到了脈沖流中，并對(duì)其進(jìn)行了相位解碼，如圖3所示。在此基礎(chǔ)上，若將相位演化速度或其他自組裝脈沖瞬態(tài)演化加入到編碼格式中，可更進(jìn)一步的提升多重編碼和全光存儲(chǔ)容量。

圖3：相位定制四進(jìn)制編碼示例“fiber”。(a)編碼數(shù)據(jù)流。(b)每個(gè)字母的四進(jìn)制表征。(c)“r”的相位演化軌跡。

本文報(bào)道了可編程增益控制的自組裝脈沖相位演化，并由此構(gòu)建了一種新的相位定制四進(jìn)制編碼格式。這種基于增益控制的相位定制方法為自組裝脈沖的人工操控提供了一種新的思路，有望進(jìn)一步拓展如光測(cè)量、光存儲(chǔ)、光計(jì)算等諸多新興應(yīng)用場(chǎng)景，為超快光學(xué)的研究開辟新的道路。

| 論文信息 |

Liu, Y., Huang, S., Li, Z. et al. Phase-tailored assembly and encoding of dissipative soliton molecules. Light Sci Appl 12, 123 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01170-x

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