背景介绍

锁模光纤激光器作为研究复杂非线性脉冲动力学的理想实验平台，能够在色散/非线性效应和增益/损耗的相互作用下产生单个脉冲，这些短脉冲还可以自组装形成稳定的孤子分子。孤子分子中每个组成脉冲之间存在能量交换，从而显示出丰富的内部动力学。同时，孤子分子在增加通信容量和全光信息存储的应用中也极具吸引力。

最近，时间拉伸-色散傅里叶变换（TS-DFT）技术进一步促进了孤子分子演化相关的非线性动力学直接观测。这些关于瞬态孤子动力学的长期研究也提出了一个问题，即孤子分子的不同维度是否可以被精确调控，包括孤子间的时间分离、相对强度和相位、静态或振荡演变。目前，对于孤子分子多种特性的实时精确调控仍然是一个挑战，并且在实验中很大程度上尚未探索。此外，在激光器中达到理想的孤子分子态需要在高维空间中精确调控多个参数，通常对应着耗时的、反复试验的过程。

研究内容与方法

基于上述问题，香港大学Kenneth K. Y. Wong教授课题组结合电控偏振控制器（EPC）和遗传算法实现了2 μm锁模光纤激光器中孤子分子的智能调控，论文第一作者为香港大学博士后（现国防科技大学助理研究员）周毅。激光器采用非线性偏振旋转机制（NPR）锁模，研究人员根据激光器输出的光谱或射频（RF）谱特征定义了演化算法的目标函数，从而实现不同维度的孤子分子调控，包括调控光谱形状、静态或脉动状态的可控切换、孤子间的时间间隔、孤子分子脉动频率锁定。在此基础上进一步演示了基于孤子分子的数字编码。孤子分子的智能控制为更长波段的孤子分子研究打开了一个新的窗口，并为探索孤子分子相关动力学提供了新的视野。相关工作以“

实验中，掺铥光纤激光器基于NPR机制锁模，腔内偏振通过电控偏振控制器（EPC）实现精确控制。在反馈控制回路中，光谱仪或示波器采集到的脉冲信息被传输到计算机中，然后计算机根据优化算法结果发送指令、设置控制电压，通过数模转换器（DAC）驱动EPC。研究人员首先采用光谱仪（OSA）或时间拉伸-色散傅里叶变换（TS-DFT）采集脉冲光谱信息，不同的目标光谱对应不同的孤子分子状态。光谱整形的适应度函数是当前谱与标准谱之间的归一化均方误差（NMSE）。图1显示了双脉冲孤子分子的光谱整形结果，同时实现了孤子分子在不同状态之间的确定性切换。如图1（g）、1（h）所示，双脉冲孤子分子从脉动状态切换到静态，并伴随着孤子间时间分离的明显增加。

图1 孤子分子光谱整形（a, d）采集和标准孤子分子光谱，归一化均方误差（NMSE）分别为0.0051和0.0010（b, e）分别对应于（a, d）的实时光谱和（c, f）场自相关轨迹演化（g）孤子分子确定性切换的实时光谱和（h）场自相关轨迹演化（a到d）

图2 有无遗传算法优化的脉动孤子分子（a）脉动孤子分子的射频谱示意图（b）迭代过程中最佳适应度值的演变（c）脉动频率锁定的孤子分子射频谱（d）无脉动频率锁定的孤子分子射频谱（e）脉动频率锁定的孤子分子实时光谱和（f）场自相关轨迹演化（g）无脉动频率锁定的孤子分子实时光谱和（h）场自相关轨迹演化

如图2所示，通过将孤子分子的脉动频率定义为适应度函数来优化腔内偏振，可实现孤子分子的脉动频率锁定。图2（e）和2（f）显示了算法优化后对应的DFT谱和场自相关轨迹演化。进一步，基于优化算法可靠、高效的特点，研究人员通过改变优化后的EPC驱动电压，探索并实现了不同状态双脉冲和三脉冲孤子分子的连续可控切换，展示了示例性的编码应用，实验结果如图3所示。

图3 基于四种组合形式的孤子分子的示例性编码（a, d）编码的DFT光谱演化，泵浦功率为420 mW，EPC由四种不同的驱动电压调制（b, e）对应的场自相关轨迹演化（c, f）每个字母的ASCII码四元格式（g）每个字母的可视化，每一帧由四个时隙组成，代表一个字母

总结与展望

研究人员首次展示了2 μm超快光纤激光器中孤子分子的智能调控，同时为更长波段的孤子分子研究打开了一个新的窗口。该演化算法可以显著促进孤子分子最优状态的搜索，利用高精度的反馈回路控制，可以实现孤子分子的光谱整形、脉动频率锁定、不同孤子分子态的连续可控切换。此外，基于孤子分子的自组装特性，在实验中展示了示例性的四元数字编码。这些发现将进一步拓展孤子分子在相干光通信、全光存储和光计算中的潜在应用。

主要作者简介

Kenneth Kin-Yip Wong教授是香港大学电机与电子工程系教授/博士生导师、SPIE和Optica Fellow、IEEE Senior Member。迄今为止已发表了超过450篇期刊和会议论文，其中包括Nature子刊、Optica、ACS Photonics 等。主要致力于生物成像技术及超快实时探测技术的研究，是该领域国际知名的学者。近三年共主持香港研究资助局优配研究金、欧盟与香港研究资助局研究及创新合作计划、国家自然科学基金委员会及香港研究资助局联合科研资助基金等多个项目的研究工作。此外，他担任了多个国际学术会议如CLEO、CLEO EURO、OECC、SPIE Photonics的技术委员会成员或主席。他曾经是IEEE Photonics Technology Letters 期刊的Associate Editor，现在是 Optica、 Optics Express期刊的Associate Editor 。