撰稿 李凌志
1. 导读
暨南大学微波光子团队在国际顶尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications发表论文，他们利用两个偏振态相互正交的光波在一个单光子腔内结合，实现单一光子腔中的宇称时间（Parity-time，简称PT）对称系统，提出并验证了一种新型光纤激光器，可实现具有可调谐性的单纵模的激光输出。
得益于偏振态PT对称系统的模式选择作用，该激光器不需要昂贵的光学滤波器，就可以在单一光纤环内实现单纵模激光的输出。此外，这种单一光纤环的设计为激光器系统提供了简便性和高度稳定性。未来，这种新型光纤激光器有望在激光测距，激光雷达，微波光子信号产生等领域发挥重要作用。
2. 研究背景
对于一个高性能的连续波激光器来说，单模操作是基本要求之一，因为它决定了激光器输出的相干性和功率稳定性。对于相位噪声低、线宽窄、光功率高的长腔激光器，由于激光腔内增益介质的增益谱通常比激光器的模间距宽几个数量级，因此相邻两个模式之间的增益差值很小，很难通过控制激光阈值来实现单模振荡。在激光腔中加入一个光学滤波器，可以减少超过阈值的模式数量，是实现单模激光输出的常用手段。如果滤波器的通带足够窄，就可以保证单模激光。然而，对于长腔激光器，例如腔长在几十米左右的光纤激光器，需要一个高q值的滤波器，使得系统昂贵且稳定性差。
由于PT对称系统在模式选择方面具有显著特性，使得其近年来在光学系统和光电系统中被广泛的研究。一个PT对称系统通常是由两个交叉耦合的空间子系统实现的，这两个子系统被设计成具有相同的几何形状和互补的增益和损失系数。在PT对称系统中，当PT对称破缺时，主模和边模之间的增益差明显增强，从而使单模振荡成为可能。但是，两个空间分布的子系统，使得系统总体的的结构复杂性增加，成本高，对环境扰动的敏感性强。
为了消除传统PT对称系统在空间上的不一致性，张杰君研究员带领团队在最近展示了一种新型PT对称系统，它是在光学波长的参数空间中实现的。但是由于这种新型的PT对称系统采用了两种不同波长的光波，所以这个概念不能在只支持单一波长操作的系统中使用。
3. 创新研究
在本工作中，研究人员提出并证明了一种可以在单一的空间单位内实现的基于偏振态多样化的PT对称系统，通过控制光在单一空间单位内的偏振态，可以控制一部分特征频率、增益、损耗和耦合系数，实现PT对称破缺。研究人员还以光纤环形激光器为例，实现了一种不使用高q值光学滤波器的新型单纵模激光器。得益于PT对称破缺带来的模式选择机制，可以有效地抑制输出激光的边模。
图1本研究提出的偏振态PT对称光子系统的原理图
图1所示为本工作提出的由两个偏振环组成的偏振态PT对称光子系统的原理图。基于在单一空间环路中的偏振态多样化原理，实现了两个具有独立可调谐的偏振环路。具体地说，光纤环路中的双折射路径产生两个偏振环路，耦合路径允许两个偏振环路之间的耦合。采用掺铒光纤放大器（Erbium-doped fiber amplifier，简称EDFA）来提供光增益。使用可调谐滤光器（Tunable optical filter，简称TOF）可以粗略地选择主模式。利用两个偏振控制器和两个起偏器对两个偏振环路本征频率的增益和损耗系数进行调优，实现PT对称。当增益和损耗系数增大到大于耦合系数时，会发生PT对称破缺。两个偏振环组成一个PT对称的光纤环形激光器，其中一个偏振环是增益环，另一个偏振环是损耗环。偏振态PT对称系统增强了主模和边模之间的增益差值，使单模激光通过操纵激光阈值成为可能。系统的输出由一个3-dB光耦合器导出，用光谱分析仪进行光谱分析，用光学零差系统进行纵模分析，并用光学自外差系统进行线宽测量。
图2偏振态PT对称系统的实现过程
虽然两个偏振环的物理长度是相同的，但由于光纤弯曲和光学元件偏振模色散所产生的双折射，可能导致两个偏振环的本征模式不匹配，如图2（a）所示。为了实现PT对称，需要本征频率分裂值为零，这可以通过调整PC1中的等效四分之一波片，来对准偏振环的本征频率，以实现本征频率的实部之间的PT对称。另一方面，PC1中的等效二分之一波片与两个起偏器一起控制两个偏振环的增益、损耗和耦合系数，以实现本征频率的虚部之间的PT对称。除此之外，调谐PC2中的等效二分之一波片为两个偏振环引入相同的增益变化，因此只影响激光器的激光阈值。这种控制激光阈值的方法比改变EDFA中的泵浦电流更加的精确和方便。
图3单纵模激光器的波长可调谐性
在腔长为41米的环形腔激光器中，对应的FSR为4.88MHz。TOF的带宽为0.1纳米，其中大约包含有2016个纵模。再利用PT对称的选模机制从2016个纵模中选出获得增益最大的一个模式，从而实现稳定的单模激光输出。得益于TOF的可调谐性，可以实现输出激光的波长调谐。图3显示该激光器的最小调谐步长和最大调谐范围。
4. 应用与展望
本工作中所提出的基于偏振态多样性的PT对称概念为研究非厄米光子系统的功能开辟了新的途径。通过在光纤环形激光器中实现一个空间环中包含两个相互耦合的偏振环，实验验证了偏振态PT对称系统。并且得益于PT对称系统的模式选择机制，实现了稳定的单纵模激光输出。由于只需要一个空间环，该激光器的实现得到了极大地简化，并且稳定性得到了极大地提高。因此，这种新型光纤激光器未来有望在激光测距，激光雷达，微波光子信号产生等领域发挥重要作用。
该研究成果以” Polarimetric parity-time symmetry in a photonic system”为题发表在Light: Science & Applications期刊。
