在追求更高效和紧凑的光电子设备的过程中，科学家们不断探索新的物理现象和技术突破。近日，哈佛大学和维也纳理工大学的国际研究团队在环形半导体激光器中观察到暗孤子现象，这一发现可能对分子光谱学和集成光电子学产生重要影响。相关研究成果发表在Nature上。

暗孤子是一种在明亮的背景下产生的光学消光区域。频率梳是一种以等距频率输出光脉冲的激光器，被认为是激光物理学历史上的重大成就之一，有时被视为光学标尺，为定义科学中许多基本量的时间和频率标准提供了基础。传统的频率梳状激光器体积庞大、操作复杂且成本高昂，激光技术专家致力于开发可以集成到微芯片中的频率梳激光器。

在2020年的一次尝试中，哈佛大学的Federico Capasso小组的研究人员意外发现，在最初进入高度湍流状态之后，量子级联环形激光器在分子光谱学中广泛应用的中红外“指纹”区域达到了稳定的频率梳状态，尽管稳定状态下的齿数只有九个。环形激光器具有一个光学腔，光在其中沿闭环路径传播，而量子级联激光器是一种能够发射红外辐射的器件。

哈佛大学的Marco Piccardo表示：“这些有趣的发现都来自控制装置的意外结果，这出乎了我们的预料。”经过数月的困惑和探索，研究团队终于明白，这种现象可以通过系统非线性微分方程的不稳定性来解释，特别是通过复杂的金兹堡-朗道方程来描述。

在这项新的研究中，Federico Capasso和他的团队与维也纳理工大学的Benedikt Schwarz小组的团队合作，研究了基于量子级联激光器的几种频率梳设计。他们通过将波导耦合器集成到同一芯片上，不仅使光的提取更为方便，还实现了更高的输出功率，并能够通过调节耦合损耗，在频率梳状态和连续波激光器模式之间转换。在连续波激光器模式下，激光会持续不断地输出辐射。

然而，在连续波模式下，却出现了更为奇特的现象。有时候，即便激光器仅被设定为连续波模式，通过关闭再开启激光器，却可能导致一个或多个暗孤子随机形成。

孤子是一种在空间中可以无限传播的非线性、非色散的自增强波包，它们能够在不同介质中有效传递，最早在1834年于水波中被观察到。此后，孤子在光学等多个物理领域被相继发现。

最新的观察结果令人意外地发现，孤子在连续激光中表现为微小的间隙。激光发射的这种看似微小的变化使其频谱发生了巨大变化。Marco Piccardo解释说：“当我们讨论连续波激光器时，通常指的是在光谱域里展现为一个单一的尖峰。而这种微小的下降实际上代表了一个巨大的转变。根据不确定性原理，这两个现象是相互联系的。因此，当你在空间或时间上观察到非常狭窄的现象时，这意味着在频谱域内会有众多模式。而众多的模式则意味着我们能够进行光谱学研究，观察到在广阔光谱范围内的分子发射。”

虽然偶尔也观察到暗孤子，但这是首次在小型电注入激光器中发现。Marco Piccardo指出，在光谱学上，暗孤子与明亮孤子同样有价值。然而，某些应用，例如泵浦探针光谱需要明亮的脉冲。如何从暗孤子中产生明亮孤子，将是未来研究的重点。研究人员也在探索如何可靠地产生孤子。

这种用于集成的梳状设计的一个显著优势是，由于光仅沿一个方向在环形波导中循环，激光器在本质上免疫了可能干扰其他类型激光器的反馈。这意味着不需要使用在商业规模的硅芯片集成中通常难以实现磁隔离器。

考虑到集成的便利性，研究人员希望这项技术能够应用于量子级联激光器之外的领域。Marco Piccardo表示：“虽然量子级联激光器的芯片非常紧凑，但它们通常需要较高的电压才能运转，因此并不完全适合将电子设备集成到芯片上。如果这项技术能够应用于其他类型的激光器，比如带间级联激光器，就能实现更进一步的小型化，并且有可能实现电池供电。”

中佛罗里达大学的激光物理学家Peter Delfyett认为这项工作为未来研究开辟了新的希望。他表示：“频域中的暗脉冲代表了一系列的颜色，尽管它们的频谱纯度非常高，但精确的定位还有待实现。然而，毫无疑问，能够在芯片上使用电泵浦设备制造出孤子，这本身就是一项重大的进步。”

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