[论文解读] Emission of intense resonant radiation by dispersion-managed Kerr cavity solitons

Alexander U. Nielsen, Bruno Garbin+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 47被引用 4

一句话总结

本研究通过实验和数值模拟证明，在光纤环形谐振器中，色散管理显著增强了由时间 Kerr 腔孤子发射的 Kelly 类共振辐射边带。由于相位匹配条件，边带幅度随泵浦-腔体失谐增加而增大，最终限制了孤子的稳定工作范围，实验与仿真结果高度一致。

ABSTRACT

We report on an experimental and numerical study of temporal Kerr cavity soliton dynamics in dispersion-managed fiber ring resonators. We find that dispersion management can significantly magnify the Kelly-like resonant radiation sidebands emitted by the solitons. Because of the underlying phase-matching conditions, the sideband amplitudes tend to increase with increasing pump-cavity detuning, ultimately limiting the range of detunings over which the solitons can exist. Our experimental findings show excellent agreement with numerical simulations.

研究动机与目标

• 研究色散管理对光纤环形谐振器中时间 Kerr 腔孤子发射共振辐射的影响。
• 确定相位匹配条件和失谐如何影响色散管理系统的边带幅度。
• 探讨由于辐射放大，孤子存在极限随失谐增加的变化情况。
• 基于广义非线性薛定谔方程的数值模拟验证实验结果。
• 评估具有工程化色散分布的微腔频率梳系统的影响。

提出的方法

• 采用色散管理的光纤环形谐振器实验装置，包含 90 m 标准单模光纤（SMF）和 5 m 色散位移光纤（DSF），实现净反常群速度色散（GVD）。
• 使用马赫-曾德尔振幅调制器和声光调制器实现泵浦的精确控制和光谱滤波。
• 采用比例-积分-微分（PID）控制器稳定腔体并维持孤子运行。
• 通过光学谱分析和自相关测量表征孤子谱和时间波形。
• 基于包含三阶色散和色散管理效应的广义非线性薛定谔方程进行数值模拟。
• 系统性地改变泵浦-腔体失谐和光纤长度比，以探测边带增长和孤子稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 色散管理如何影响 Kerr 腔孤子发射的 Kelly 类共振辐射边带的幅度？
• RQ2 泵浦-腔体失谐在调节边带强度和孤子稳定性方面起什么作用？
• RQ3 与均匀谐振器相比，色散管理在多大程度上可抑制或增强共振辐射？
• RQ4 高阶色散项在低净 GVD 区域如何影响边带生成？
• RQ5 实验观测到的边带放大现象能否被基于数值模拟准确再现？

主要发现

• 色散管理显著放大了时间 Kerr 腔孤子中 Kelly 类共振辐射边带，类似于正常 GVD 系统中参量不稳定性增强的现象。
• 由于相位匹配条件，边带幅度随泵浦-腔体失谐增加而增大，最终限制了孤子稳定运行的范围。
• 实验结果与数值模拟高度一致，证实了色散管理在边带增强中的作用。
• 在低净 GVD 区域（⟨β₂⟩ ≈ -0.8 ps²/km），由于三阶色散的存在，边带仍保持较强，不可忽略。
• 数值模拟证实，当净 GVD 接近零时，三阶色散是残余边带产生的原因。
• 完全抑制共振辐射需对高阶色散项进行额外管理，超出当前色散工程的范围。