空气光放大20万倍！空芯光纤新纪录

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撰稿 |  杨帆（论文第一作者&通讯作者）

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导读

空气和各种气体都能被用来实现很强的光放大？近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL） Luc Thévenaz 教授团队回答了这个问题。该团队 利用气体布里渊效应实现了空芯光纤里的光放大，将信号放大了200,000倍，其实现的增益系数比之前的所有基于气体布里渊效应的工作至少提高了6个数量级，并且首次证实空芯光纤里的增益能远远大于标准单模光纤。基于此原理，该团队还分别展示了一种全新的气体激光器和传感器。

封面图：基于气体布里渊效应的空芯光纤光放大

图源:  EPFL Group for FibreOptics

有别于传统的气体激光器，该气体激光器是 首次基于光声相互作用的 ，并可以 工作于任何波长（从真空紫外到中红外范围） 。而该分布式气体传感器 具有前所未有的温度测量精度以及空间分辨率，并且没有应变串扰，这个打破了30年以来分布式布里渊传感器不可避免的温度应变串扰这个物理瓶颈。

该文章（题为“Intense Brillouin amplification in gas using hollow-core waveguides”）发表在国际顶尖光学期刊Nature Photonics，作者为杨帆博士，Flavien Gyger博士和Luc Thévenaz教授。

图1 海底光缆示意图

图源: ESRI.COM

02

研究背景

光纤 作为信息时代的硬件基础，极大地改变了我们的生活方式，其构成的通信网络既成为大陆与大陆之间的洲际网络主干(如图1所示)，又成为家与家之间的信息传播媒介。 高锟 博士在上世纪60年代由于在光纤方面的开创性贡献，于2009年被授予 诺贝尔物理学奖 。现在的通信网络主要由标准的单模石英光纤组成，该光纤由于其非线性和色散，以及固体特征等限制，其输入功率和传输通带范围往往受限。

空芯光子晶体光纤的出现很大程度上打破了这些限制。这是由于绝大部分光能量在空气里传输，因此空芯光纤相比于传统的实芯光纤，具有潜在的更低传输损耗，更宽的传输通带，更高的激光损伤阈值，低非线性以及低色散等特征。2020年英国南安普顿大学将空芯光纤的损耗降到了0.28 dB/km，而理论计算出的空芯光纤的损耗极限在通信波段小于0.1 dB/km，比标准单模光纤的损耗极限0.14 dB/km还要低。 因此，空芯光纤被普遍认为是有可能成为下一代光通信骨干网的重要组成，因此也是当前世界范围内光纤研究的最前沿。
虽然空芯光纤在光通讯中具有非常重要的应用前景，但是空芯光纤里的光放大是一个长期存在的难题。 因为不像实芯光纤那样可以简单的使用掺杂来进行光放大，空芯光纤里的光绝大部分传输在空气孔里，掺杂光放大的效率非常有限。在空芯光纤里如何非常有效的进行光放大是下一代光通信的一个关键问题。
现有的空芯光纤的光放大主要有两种方案： 第一种是基于低压气体分子或者原子的能级跃迁(类似于传统的气体激光器)，第二种是基于氢气的拉曼效应。 这两种方案产生的光放大相比于实芯光纤，其放大效率仍然有限。而在第一种放大方案里，泵浦和激光输出波长只能工作于气体分子或者原子能级跃迁的谐振波长处。而在第二种放大方案里，氢气分子会从空芯光纤的石英壁泄漏出光纤，使得稳定的充气空芯光纤变得困难。

03

创新研究

3.1 空芯光纤气体布里渊增益

图2 空芯光纤气体受激布里渊散射原理图

图源:  Nat. Photonics (2020). http://doi.org/10.1038/s41566-020-0676-z (Fig. 1(a))

本工作利用空芯光纤里的气体布里渊效应(图2)，当相向而行的泵浦光和探测光频率差满足空芯光纤里的气体的布里渊频移，泵浦光能够对探测光功率进行放大。
之前的报道里，空芯光纤里的气体拉曼效应和克尔非线性效应都是和气压成正比，而本文发现空芯光纤里的气体布里渊增益是和气压成平方关系。这就意味着当增加空芯光纤里的气压时，其布里渊增益会得到极大的增强。图3显示当空芯光纤里填充的CO ₂ 的气压为41 bar的时候，其增益系数是标准单模光纤的6倍，而该增益系数比之前所有的自由空间气体实验大了至少6个数量级。这也是首次实现空芯光纤的增益系数远远大于标准单模光纤。

图3 空芯光纤中不同气压的气体(CO₂)布里渊增益系数

图源:  Nat. Photonics (2020). http://doi.org/10.1038/s41566-020-0676-z (Fig. 2(a))

3.2 气体布里渊光纤激光器 布里渊激光器 由于具有线宽压缩效果通常被用来做超窄线宽激光光源。本文中首次实现基于布里渊效应的气体激光器，该激光器具有低阈值（33 mW）特征（图4），并且能够工作于任何波长（从真空紫外到中红外）。

图4 基于布里渊效应的气体光纤激光器

图源:  Nat. Photonics (2020). http://doi.org/10.1038/s41566-020-0676-z (Fig. 4(b))

3.3 气体布里渊分布式温度传感器

温度和应变交叉敏感问题存在于至今所有的基于布里渊效应的传感器中，这是因为现有的传感器都是基于固体材料，而固体材料中的声速不可避免的同时对温度和应变有响应。本文提出用空芯光纤里的气体的布里渊效应来做温度测量，使得传感器对应变没有交叉响应。这是因为光在气体里传播，因而无法感知石英壁的应变。

图5比较了50米长的填充41 bar CO₂的空芯光纤和同样长度的单模光纤的温度和应变响应。图5（a）显示了传感测试台。图5（b）展示了空芯光纤布里渊频移的温度响应。图5（c）比较了空芯光纤和单模光纤的温度响应，其中空芯光纤的温度响应（1.2 MHz/℃）稍大于单模光纤。图5（d）和（e）表明了空芯光纤对应变完全不敏感，而单模光纤对应变和温度都敏感。

图5  气体分布式布里渊温度传感器。HCF,hollow-core fibre; SMF, single-mode fibre. 图源:  Nat. Photonics (2020). http://doi.org/10.1038/s41566-020-0676-z (Fig. 5)

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应用与展望

本文提出并证实了一种新颖的空芯光纤有效光放大方案，该方案不仅仅局限于某种特定气体，空气和其他各种气体同样适用。本文还开发了一种新的基于布里渊效应的低阈值气体激光器，该激光器能够工作于任何波长(从真空紫外到中红外)。该激光器还可以被应用于高精度陀螺仪，在导航、定位以及航空航天领域具有重要应用。

除此之外，本文还展示了一种新颖的分布式温度传感器，该传感器具有0.3℃的温度精度以及1.28 cm的空间分辨率，更有趣的是该温度传感器被证实完全无应变交叉响应。

空芯光纤的光暗化效应要远远低于实芯的单模光纤，因此本文的激光器和传感器能够工作于高辐射环境，例如航天器或者核反应堆中。

本文还证实了气体的声子寿命比标准单模光纤的声子寿命长10倍，因此可以用该系统实现更长时间的光存储，更窄的微波滤波器。值得一提的是，本文的思路还可以被应用到集成波导里面，我们最近的一个工作首次发现集成氮化硅波导的布里渊效应 （ Physical Review Letters，124，013902（2020） ） 。基于气体布里渊效应的集成波导光放大以及由此产生的激光器和传感器很可能会是下一个研究热点。
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作者简介（通讯作者）

杨帆 博士

杨帆博士，分别于2008年和2011年在华中科技大学光电系获得学士和硕士学位，2015年在香港理工大学获得博士学位。博士导师为靳伟教授，研究方向为光纤气体传感与空芯光纤。2015年9月至2017年6月在香港理工大学继续从事研究员工作，研究方向为高精度气体检测。2017年7月至今在瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）光纤研究组从事博士后研究，合作导师为Luc Thévenaz教授，研究方向为气体非线性以及光声相互作用。杨帆博士在国际期刊发表超过25篇研究论文，以第一或者共同第一作者发表Nature Photonics, Nature Communications以及Physical Review Letters文章多篇。在第24届国际光纤传感大会（OFS24）获得最佳学生论文奖；在Light: Science & Applications组织的Light Conference 2019获得“Rising Stars of Light”三等奖。被邀请在CIOP，AFL等国际会议做大会特邀报告。

Prof. Luc Thévenaz

Luc Thévenaz received the M.Sc. degree and the Ph.D. degree in physics from the University of Geneva, Switzerland. In 1988 he joined the Swiss Federal Institute of Technology of Lausanne (EPFL) where he currently leads a research group involved in photonics, namely fibre optics and optical sensing. Research topics include Brillouin-scattering fibre sensors, slow & fast light, nonlinear fibre optics and laser spectroscopy in gases. He achieved with his collaborators the first experimental demonstration of optically-controlled slow & fast light in optical fibres. He also contributed to the development of Brillouin distributed fibre sensing by proposing innovative concepts. During his career he stayed at Stanford University, at the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), at Tel Aviv University, at the University of Sydney and at the Polytechnic University of Valencia. In 2000 he co-founded the company Omnisens. He was Chairman of the European COST Action 299 "FIDES" and he is currently Coordinator of the European H2020 Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Networks FINESSE (FIbre NErve Systems for Sensing). He is Fellow of the IEEE and the OSA, and co-Executive Editor-in-Chief of Light: Science & Applications.

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文章信息：
FanYang, Flavien Gyger and Luc Thévenaz, “Intense Brillouin amplification in gasusing hollow-core waveguides,” Nature Photonics, online early publishing, 2020.

 

论文地址：

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0676-z

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