基于拓扑绝缘体Bi₂Se₃/PVA薄膜的锁模光纤激光器中亮暗孤子对的实验研究

作者及机构
本研究由哈尔滨工业大学（深圳）电子与信息工程学院的Bo Guo、Yong Yao（OSA会员）、Jia-Jun Tian（IEEE会员）、Yu-Feng Zhao、Shuai Liu、Meng Li和Ming-Ran Quan团队完成，并发表于IEEE Photonics Technology Letters期刊。厦门大学的Z.Q. Luo教授提供了拓扑绝缘体材料样品。研究得到中国国家自然科学基金（No. 61107036）和深圳市科技计划项目资助。

学术背景

研究领域与动机

该研究属于非线性光纤光学与超快激光技术交叉领域。孤子(Soliton)作为具有波形保持特性的特殊脉冲，自1973年理论预测和1981年实验观测以来，在光通信、光学频率梳生成等领域具有重要应用。传统孤子研究集中于单一亮孤子(Bright soliton)或暗孤子(Dark soliton)，而亮-暗孤子对的协同存在现象此前仅在理论上通过交叉相位调制（Cross-Phase Modulation, XPM）或双腔结构实现。

关键科学问题

研究团队试图突破两个局限：
1. 材料限制：先前基于拓扑绝缘体（Topological Insulator, TI）的可饱和吸收体（Saturable Absorber, SA）仅能产生亮孤子；
2. 机制限制：亮暗孤子对的形成多依赖双脉冲交互作用，本研究首次尝试在单腔结构中通过偏振效应实现这一现象。

研究目标

通过设计Bi₂Se₃/PVA薄膜可饱和吸收体，在锁模光纤激光器中实现偏振依赖的亮-暗孤子对，并探究腔体色散对孤子形态的影响。

研究方法与流程

1. TI-SA材料制备与表征

制备流程：
- 水热法合成：以Bi₂O₃和Se粉末为原料制备Bi₂Se₃晶体；
- 液相剥离：将晶体分散于N-甲基-2-吡咯烷酮溶液，超声处理24小时；
- 成膜工艺：加入PVA基质后旋涂于玻璃基底，烘干得到厚度25μm的薄膜。

表征实验：
- 拉曼光谱：514nm激发光下检测到71.2 cm⁻¹（A₁g¹）、130 cm⁻¹（E₂g）和171.6 cm⁻¹（A₁g²）特征峰，证实材料晶体结构完整性；
- Z扫描技术：测得饱和强度25 mW/cm²、调制深度3.8%；
- 插入损耗：2.9 dB（功率计测量）。

2. 激光器系统构建

腔体设计：
- 增益介质：5m高掺杂铒纤（EDF，-16.3 ps/(km·nm)@1530nm）；
- 色散管理：185m单模光纤（SMF，+18 ps/(km·nm)）构成净色散-4.15 ps²；
- 关键组件：976nm泵浦LD、偏振控制器（PC）、10:90输出耦合器。

锁模触发条件：
- 泵浦阈值：连续波输出15 mW，锁模启动25 mW；
- TI-SA尺寸：1×1 mm²，贴于光纤连接器内构成模式锁定器。

3. 亮暗孤子对观测与调控

实验操作：
- 通过PC调节偏振态，在97.3 mW泵浦功率下获得稳定亮暗孤子对；
- 使用示波器（5 GHz带宽）捕捉脉冲序列，调整触发电平分别观察亮孤子（高电平）和暗孤子（低电平）；
- 光谱分析显示M形轮廓（无Kelly边带），暗示腔内偏振双折射和光谱滤波效应。

色散影响研究：
- 缩短SMF长度至132.5m（净色散-2.94 ps²）和115m（-2.54 ps²），发现孤子形态趋于对称化，暗孤子稳定性优于亮孤子。

4. 验证偏振依赖性

外腔偏振实验：
- 旋转外部偏振器0°-90°时，亮孤子和暗孤子依次消失，证实其偏振正交特性；
- 结合Manakov耦合非线性薛定谔方程理论，归因于Bi₂Se₃的超高非线性折射率（10⁻¹⁴ m²/W，比体材料高6个数量级）。

主要研究结果

核心发现

1. 首次实现TI-SA单腔亮暗孤子对：

   • 时域示波器显示920.8 ns周期脉冲序列（对应1.086 MHz重复频率），信噪比62 dB；
     
   • 单脉冲剖面显示不对称特征（图4c），归因于Bi₂Se₃的高阶非线性效应。
     

2. 色散-孤子形态关联性：

   • 净色散从-4.15 ps²优化至-2.54 ps²时，脉冲对称性提升（图6d）；
     
   • 暗孤子对色散变化不敏感，可能与其拓扑保护特性相关。
     

3. 损伤阈值与谐波锁模：

   • TI-SA损伤阈值达200 mW，并观测到谐波模式锁定现象。
     

未能获取的数据

• 商业自相关仪（FR-103XL）未检测到自相关曲线，推测为亮暗孤子对的固有特性（与前人报道[22]一致）。
  

结论与价值

科学意义

1. 机制创新：首次在单腔结构中通过偏振效应实现亮暗孤子对，突破了传统XPM机制的限制；
   
2. 材料应用：证实Bi₂Se₃/PVA薄膜在非线性偏振调控中的独特优势，为二维材料在超快光子学中的应用提供新范式；
   
3. 孤子动力学：揭示腔体净色散与孤子形态的定量关系，为复杂孤子态操控提供实验依据。
   

应用前景

• 多路光通信：正交偏振的亮暗孤子对可编码双通道信息；
  
• 精密测量：暗孤子的抗干扰特性适用于低噪声光学传感。
  

研究亮点

1. 方法创新性：

   • 开发液相剥离/旋涂法制备低损耗TI-SA薄膜（插入损耗 dB）；
     
   • 首创”偏振触发”亮暗孤子对的实验方案。
     

2. 现象独特性：

   • 观测到M形光谱与不对称时域剖面的共存现象；
     
   • 发现暗孤子相对于亮孤子的色散鲁棒性。
     

3. 理论深度：

   • 将Manakov方程应用于拓扑绝缘体体系，拓展了非线性光纤理论的应用边界。
     

未尽问题与展望

1. 孤子相互作用机制：需进一步研究亮暗孤子间的能量交换动力学；
   
2. 更短脉冲产生：未来可尝试通过色散优化将脉宽压缩至飞秒量级；
   
3. 其他TI材料验证：如Sb₂Te₃或Bi₂Te₃是否具有类似特性。
   

该研究为拓扑绝缘体光子器件设计和多功能孤子激光器开发提供了重要实验基准。