近日，來自暨南大學張杰君研究員，加拿大渥太華大學姚建平院士及他們的團隊在Light: Science & Applications發表論文，他們利用兩個偏振態相互正交的光波在一個單光子腔內結合，實現單一光子腔中的偏振態宇稱-時間（Parity-time，簡稱PT）對稱系統，提出并驗證了一種新型光纖激光器，可實現具有可調諧性的單縱模的激光輸出。

得益于偏振態PT對稱系統的模式選擇作用，該激光器無需窄帶光學濾波器，即可實現單縱模輸出。這種單環諧振腔的設計為激光器提供了簡便性和高度穩定性。這種新型光纖激光器有望在激光測距，激光雷達，微波光子信號產生等領域發揮重要作用。

圖源：Veer

單縱模振蕩是高性能連續波激光器的基本特性，它決定了激光器輸出的相干性和功率穩定性。對于相位噪聲低、線寬窄、光功率高的長腔激光器，由于激光腔內增益介質的增益譜寬度通常比激光器的模間距大幾個數量級，相鄰兩個模式之間的增益差值很小，很難通過控制激光閾值來實現單模振蕩。在激光腔中加入一個光學濾波器，可以減少滿足閾值條件模式的數量，是實現單模激光輸出的常用手段。如果濾波器的通帶足夠窄，就可以保證單模激光。然而，對于長腔激光器，例如腔長在幾十米左右的光纖激光器，需要一個高Q值濾波器，使得系統昂貴且穩定性差。

由于PT對稱機理在模式選擇方面具有顯著特性，使得其近年來在光學系統和光電系統中被廣泛研究。一個PT對稱系統通常是由兩個交叉耦合的空間子系統實現的，這兩個子系統被設計成具有相同的幾何形狀和互補的增益和損失系數。在PT對稱系統中，當PT對稱破缺時，主模和邊模之間的增益差明顯增強，從而使單模振蕩成為可能。但是，兩個空間分布的子系統，使得系統總體的結構復雜性增加，成本高，對環境擾動的敏感性強。

在本工作中，研究人員提出并證明了一種可以在單一空間諧振腔內實現的基于偏振態多樣化的PT對稱系統，通過控制光的偏振態特性，調諧諧振腔的特征頻率、增益、損耗和耦合系數，實現PT對稱破缺。基于此概念設計的光纖環形激光器，無需高Q值光學濾波器，即可有效抑制激光邊摸，獲得穩定的單縱模輸出。

圖1本研究提出的偏振態PT對稱光子系統的原理圖

圖1所示為本工作提出的由兩個偏振環組成的偏振態PT對稱光子系統的原理圖。基于在單一空間環路中的偏振態多樣化原理，實現了兩個具有獨立可調諧的偏振環路。光纖環路中的雙折射路徑產生兩個偏振環路，耦合路徑允許兩個偏振環路之間的耦合。采用摻鉺光纖放大器（EDFA）來提供光增益。使用可調諧濾光器（TOF）選擇激光器輸出波長。利用兩個偏振控制器和兩個起偏器對兩個偏振環路本征頻率的增益和損耗系數進行調諧，實現PT對稱。當增益和損耗系數大于耦合系數時，會發生PT對稱破缺。兩個偏振環組成一個PT對稱的光纖環形激光器。偏振態PT對稱系統增強了主模和邊模之間的增益差值，使單模激光通過操縱激光閾值成為可能。

圖2偏振態PT對稱系統的實現過程

雖然兩個偏振環的物理長度是相同的，但由于光纖彎曲和光學元件偏振模色散所產生的雙折射，可能導致兩個偏振環的本征模式不匹配，如圖2（a）所示。為了實現PT對稱，需要本征頻率分裂值為零，這可以通過調整PC1中的等效四分之一波片，來對準偏振環的本征頻率，以實現本征頻率的實部之間的PT對稱。另一方面，PC1中的等效二分之一波片與兩個起偏器一起控制兩個偏振環的增益、損耗和耦合系數，以實現本征頻率的虛部之間的PT對稱。除此之外，調諧PC2中的等效二分之一波片為兩個偏振環引入相同的增益變化，因此只影響激光器的激光閾值。這種控制激光閾值的方法比改變EDFA中的泵浦電流更加的精準和方便。

圖3單縱模激光器的波長可調諧性

在腔長為41米的環形腔激光器中，對應的FSR為4.88MHz。TOF的帶寬為0.1納米，其中大約包含有超過兩千個縱模。再利用PT對稱的選模機制從這些縱模中選出增益最大的一個模式，從而實現穩定的單模激光輸出。利用TOF的可調諧性，可以實現輸出激光的波長調諧。圖3展示了該激光器的最小調諧步長和最大調諧范圍。

本工作中所提出的基于偏振態多樣性的PT對稱概念為研究非厄米光子系統的功能開辟了新的途徑。通過在單一環路的光纖激光器中通過偏振控制建立兩個相互耦合的子系統，實驗驗證了偏振態PT對稱系統。并且利用PT對稱系統的模式選擇機制，實現了穩定的單縱模激光輸出。由于只需要一個空間環，該激光器的實現得到了極大地簡化，并且穩定性得到了極大地提高。因此，這種新型光纖激光器未來有望在激光測距，激光雷達，微波光子信號產生等領域發揮重要作用。

文章信息

Li, L., Cao, Y., Zhi, Y. et al. Polarimetric parity-time symmetry in a photonic system.Light Sci Appl9, 169 (2020).

責任編輯：xj

原文標題：基于宇稱-時間對稱的單縱模光纖激光器

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