光学频率梳发现了一个新的维度

瑞士联邦理工学院的研究人员证明了由两个微谐振器（“二聚体”）组成的光子分子中的相干频率梳，这是首次在发现驱动的耗散光子二聚体中出现的非线性现象。相关论文发表在在《自然物理学》上。

图1, 光子二聚体中的齿轮孤子。来源，EPFL/Alexey Tikan

在频域中，形成梳状的周期性光脉冲被广泛用于传感和测距。将此技术小型化集成的关键是在环形微谐振器中产生耗散孤子。耗散孤子是在非线性谐振器周围循环的稳定脉冲。自耗散孤子第一次演示以来，它形成过程已经被广泛研究，如今已经被视为是教科书知识。全世界不同的研究小组都在积极研究进一步发展的几个方向。其中一个方向是在耦合谐振器中产生孤子。许多谐振器的集体效应保证了更好的性能和对频率梳的控制，并利用了另一个（空间）维度。

但是，附加谐振器的耦合如何改变孤子的产生过程呢？任何种类的相同振荡器，相互影响，不能再被看作是一组不同的元素。由于杂化现象，这种系统的激励会影响到它的所有元件，因此必须将系统作为一个整体来对待。当杂化发生时，最简单的情况是两个耦合振荡器，或者分子术语的二聚体。类似于形成分子的耦合摆和原子，耦合光学微谐振器的模式也经历了杂交，但与其他系统相比，涉及的模式数量很大（通常从几十个到几百个）。因此，光子二聚体中的孤子是在涉及包含两个谐振器的混合模式产生的，如果可以获得混合参数，这就增加了另一种程度的控制。

EPFL的研究人员在《自然物理》杂志上发表的一篇论文中，证明了一对强耦合的光子集成的Kerr微谐振器（“二聚体”）的失衡驱动，它在“单个粒子”（即单个谐振器）水平上产生了易于理解的耗散Kerr孤子（DKS），表现出新兴的非线性现象。通过研究二聚体相图，他们发现了孤子跳跃，自发对称破裂和周期性出现（在）相应的色散波中的状态。这些现象未包含在单粒子描述中，而是与混合超模式之间的参数频率转换有关。

在二聚体中产生孤子意味着在两个谐振环中产生两个反向传播的孤子。二聚体的每一个模式背后的潜在电场都类似于两个反向转动的齿轮，这就是光子二聚体中的孤子被称为齿轮孤子的原因。通过在两个谐振器上刻印加热器，从而控制混合，他们演示了基于孤子的频率梳的实时调谐。

研究人员通过电控制超模杂交，他们实现了二聚体孤子和色散波之间光谱干涉图案的广泛可调性。他们通过增加另一个空间维度，报告了Lugiato-Lefever模型之外DKS动力学的新兴非线性现象的研究。这项研究从根本上不同于所有先前的结果，后者是通过将扰动包含在“单粒子”LLE中获得的。相反，这里他们考虑由两个完美的（即理想的和不受干扰的）耦合系统产生的动力学。通过研究光子二聚体（孤子晶格的基本元素）中的DKS形成，他们显示出令人惊讶的丰富非线性动力学，与二聚体超模之间的有效光子转移有关。

同时，他们研究了在两个谐振器中都产生DKS并由于潜在的场对称性而产生的情况，并将这些结构称为齿轮孤子（GSs），并探究其非凡的动力学。令人惊讶和反直觉地，他们观察到需要不完善的模式杂交（即有限的谐振器间失谐）来启动相干的耗散结构。

他们表明，二聚体相位图的特征是在单个谐振器中根本无法访问的状态。他们用数值方法证明了相称色散波（DWs）的出现，其周期性增强导致孤子存在范围的离散化，孤子跳变以及与系统离散相关的对称破坏的影响。而且，在实际水平上，将二聚体与微谐振器调谐相结合可以实现对混合DW的电子控制。

然而，即使是简单的二聚体排列，除了杂化（齿轮）孤子产生外，也显示出各种涌现现象，即在单粒子（谐振器）水平上不存在的现象。例如，研究人员预测了孤子跳跃效应：形成二聚体的谐振器之间的周期性能量交换，同时保持孤子状态。这种现象是在两个杂化模族中同时产生孤子的结果，它们的相互作用导致了能量振荡。例如，孤子跳变可用于在射频域中生成可配置梳状结构。

EPFL光子学和量子测量实验室的研究人员Alexey Tikan说：“如今，人们对单个谐振器中孤子产生的物理机制已经有了较为深入的了解。”该领域正在探索其他发展和改进的方向。耦合谐振器就是其中一种。这种方法将允许使用相邻物理领域的概念。例如，可以通过在晶格中耦合谐振器来形成拓扑绝缘体（在固体物理学中是已知的），这将导致产生抵抗晶格缺陷的鲁棒频率梳，同时又受益于更高的效率和更多的控制程度，我们的工作朝着这些迷人的想法迈出了一步！”

导致不平衡的复杂非线性系统中形成空间，时间或时空模式形成的集体效应无法在单粒子水平上描述，因此通常被称为突发现象。它们的特征是超过了相互作用长度的长度尺度和自发的对称断裂。集成光子学的最新进展表明，在复杂耦合的非线性光学系统中对出现现象的研究是可能的。

这项研究结果突出了在多峰共振腔晶格出现的非线性动力学中要探索的丰富性和复杂性，代表了研究孤子网络和多峰晶格中出现的非线性现象的一步。