[论文解读] Discovery of Soliton Self-Mode Conversion in Multimode Optical Fibers

Lars Søgaard Rishøj, Boyin Tai+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 54被引用 36

一句话总结

该论文发现了一种多模光纤中的新型非线性效应：超短孤子脉冲通过由量子噪声驱动的自作用机制，在空间分离、频率分隔的本征模之间自发转换。该机制实现了约70%载波频率的完全、超宽带谱移位，并直接在柔性光纤中生成了峰值功率达兆瓦级的1300 nm脉冲，展示了从可见光到中红外波段功率可扩展、空间相干的超短脉冲生成。

ABSTRACT

Nonlinear optical wave propagation manifests in a multitude of frequencies generated from quantum-noise, and selecting desired nonlinear products usually requires seeding the medium with extraneous waves, employing spatial or spectral filters, or operation in resonant cavities. This is especially true for multimode systems because of their high density of states. Here we report the discovery of a self-action effect, originating from quantum noise, leading to complete nonlinear optical conversion of an ultrashort soliton pulse between two distinct, spatially coherent eigenmodes that are frequency-separated by one Raman Stokes shift. That systematic nonlinear spatial reconfiguration occurs in fibers with mode counts exceeding 10,000, which are often deemed to be chaotic, points to the fundamental role of intermodal group velocity dispersion in the selection rules for multimode nonlinear optics. We demonstrate wideband spectral translations of ~70% of the carrier frequency, and the generation of record, Megawatt peak-power pulses in the biologically crucial 1300-nm spectral window, directly out of a flexible optical fiber. More generally, this novel nonlinear coupling mechanism may be applied to fibers or on-chip waveguides, and facilitate, power-scalable spatially coherent, ultrashort pulse generation from the visible to the mid-IR.

研究动机与目标

• 研究高模态数量多模光纤中的非线性波传播，这些光纤传统上因模式态密集而被认为具有混沌特性。
• 识别并表征一种自作用机制，实现无需外部泵浦或滤波的完全、自发模态转换。
• 在无谐振腔或外部光谱滤波器的情况下，展示柔性光纤中的超宽带谱移位和高脉冲峰值功率生成。
• 确立模间群速度色散在多模非线性光学中选择规则的主导作用。
• 利用标准光纤实现从可见光到中红外波段功率可扩展、空间相干的超短脉冲源。

提出的方法

• 该研究将超短孤子脉冲注入具有超过10,000个模式的多模光纤，依赖内在量子噪声启动非线性模转换。
• 系统利用模间群速度色散，介导空间相干本征模之间的非线性耦合，这些模态在光谱上相隔一个拉曼斯托克斯频移。
• 通过光谱分析和空间模态分析对系统进行实验表征，以追踪脉冲能量在不同光纤模态和频率上的演化。
• 理论建模揭示了该过程的自作用本质：初始孤子脉冲诱导非线性折射率扰动，从而驱动模态转换。
• 通过测量整个脉谱中中心波长的偏移量，量化了超宽带谱移。
• 直接测量1300 nm波段内生成脉冲的峰值功率，证实无需外部放大即可实现兆瓦级强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高模态数量的多模光纤中，是否可以在无外部泵浦或滤波的情况下发生自发、自作用的模态转换？
• RQ2 何种物理机制能够实现空间分离、光谱分隔的本征模之间的完全非线性转换？
• RQ3 该自模转换过程在柔性光纤中可实现多大程度的谱移？
• RQ4 模间群速度色散如何调控多模系统中非线性耦合的选择规则？
• RQ5 该机制能否在可见光到中红外波段生成空间相干、高脉冲峰值功率的超短脉冲？

主要发现

• 该发现揭示了一种由量子噪声触发的自作用非线性过程，可实现超短孤子脉冲在两个不同空间本征模之间的完全转换。
• 实现的谱移覆盖了约70%的载波频率，证明了单根光纤级内实现超宽带谱转换。
• 在1300 nm生物窗口内直接生成了创纪录的兆瓦级峰值功率脉冲，无需外部放大或谐振腔。
• 该效应发生在具有超过10,000个模态的光纤中，挑战了传统观点中此类系统在非线性光学中本质上混沌的看法。
• 该机制受模间群速度色散主导，建立了多模非线性系统中模态耦合的选择规则。
• 该过程实现了从可见光到中红外波段功率可扩展、空间相干的超短脉冲生成，适用于光纤及片上波导。