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光孤子自频移现象的发现

作者信息

F.M.Mitschke*andL.F.Mollenauer

ATTBellLaboratories,Holmdel,NewJersey07733

ReceivedMay12,1986;acceptedJuly16,1986

正文

实验发现，当光孤子沿光钎传输时，其光学频率会发生连续移位，我们对其进行了描述。这种效应是由孤子的拉曼自泵浦引起的，在这过程中能量从频谱的高频部分转移到低频部分。对于120-fsec脉冲而言，我们发现其净频移达到了光学频率的10%。

对于几个皮秒或更高的脉冲宽度而言，使用非线性薛定谔方程描述光钎中的孤子特性比较符合实验结果［1］。然而一些论文也指出，对于亚皮秒的脉冲宽度，近似隐式方程不再有效［2-4］。尤其是在这些研究已经考虑了高阶色散和非线性项的潜在影响的前提下。

为了进一步探索预测的结果，我们在实验中研究了亚微秒脉冲在几个长度的单模保偏光钎中传播的特性，并确实发现了新的孤子行为。但主要效果更加强大，与那些预测结果有明显的区别。相反的是，根据拉曼效应，将存在一股从孤子的较高频率分量到较低频率分量的稳定的能量流。因此，我们称这种效应为光孤子的自频移效应。

孤子激光器的发展大大促进了我们实验的进行。我们现有的孤子激光器可以提供具有稳定峰值功率的输出脉冲流［6.7］。而在之前，锯齿形脉冲的宽贤0（半高宽）是由激光控制光纤的长度L所决定的。实验发射的脉冲波长人近似于1.5pm，相应的光频率v为200THz。我们将这些脉冲发射到长度为L的测试光钎中，并且分析了其脉0

冲形状以及当其分别通过自相关器和扫描法布里珀罗标准具后从另一测试光纤端出射的脉冲光谱。脉冲峰值功率P可以通过测量光纤平均输出功率P，脉冲宽度和

100-MHz重复率来计算。激光器通过YIG法拉第旋转器和偏振器与测试光纤隔离，且其不会对脉冲形状有明显的影响。

我们使用测试光纤的长度LZ°［孤子周期Z。与t2/D成比例，例如，当t广500fsec，D=15psec/nm/km时，Z0-7m（参考文献1）］。我们通过调节输入耦合效率来

改变测试光钎的平均输出功率P来固定L和T的值。和预期的一样，当脉冲峰值功

率P远小于基础孤子功率P时，我们可以看到脉冲被大大的加宽（T.45psec，T=4201 0

fsec，L=392m）。当我们增加功率时，输出脉冲变得更窄，直到在一个特定的功率处，对于我们使用的几个L的值，生成了具有新的宽度和形状的脉冲。而该L值与由光钎参数计算的P的理论值一致平均输出功率P进一步增加时，输出脉冲将变得更窄。到目前为止，一切都符合标准理论。

但是，当P略大于P时，我们在自相关信号中也可以看到卫星脉冲（图1），这意味着脉冲在光纤中的某处分裂成两部分。而功率的进一步增加将使卫星脉冲从中心峰向两边移开。此时对测试光钎的输出频谱的观察将会有启发性作用（图2）。在输入脉冲频率为V时，我们可以看到峰值宽度比输入脉冲的频谱稍窄，因此其对应一个较长的脉冲（Tt°）。当频率VV0时，将有一个宽峰出现，其对应一个比光钎输入脉冲更短的脉冲（Tt）。

两个光谱特征脉冲频率之间的频率间隔AV主要由P决定。而图3显示了在几个不同的P处的光谱，证明了这一点。图4将图3中的数据以AV1/2和P的比例关系画出。注意到两个脉冲功率间隔为Psep，其数量级和针对光纤输入脉冲宽度计算的《一致，但数值上不完全一样。然而，不能忽略的是，％的这个值不一定有意义，因为光纤末端（或许是其大部分光钎长度处）的脉冲宽度与光纤输入处的脉冲宽度不同。

=500fsec,图1测试光钎末端脉冲的自相关轨迹（L=392m

=500fsec,

P注1.5P扫描宽度为60psec

1

图2在392-m测试光纤的输出端的脉冲的典型光谱（实验参数和图1一致）扫描宽度是标准具的一个自由光谱范围（4.6THz），频率向右增加，边缘附近的窄峰

的频率为v

0

△THl]

△THl]

图352-m测试光纤输出脉冲在各功率下的光谱所有曲线都有相同的尺度，但垂直

移位与光钎中的P成比例，t

移位与光钎中的P成比例，

t=475fsec，

在此基础下，顶部曲线对应的P-1.5P

1

图4横坐标为光纤中的P，纵坐标为对应的频移的平方根两个量都是从图3中测量所得（见正文）

我们还粗略的测试了AV和光钎长度L的关联性。我们将392米的光钎切成两部分，长度分别为52米和340米，并分别进行了实验。如果频移严格地与光纤长度成比例，那么我们能够分别得到数值为整个光纤频移量的13%和87%的频移。然而，我们得到的两个频移量