基于双折射光纤微腔的单频布里渊激光产生

撰稿|由课题组供稿

近日，南京大学电子科学与工程学院、固体微结构物理国家重点实验室的谢臻达教授、祝世宁院士研究小组在布里渊激光产生新方法的研究中取得重要突破，利用自主研发的光纤微腔中应力致双折射效应，实现了新型的可调谐交叉偏振布里渊激光产生。研究人员采用应力可控的正交偏振纵模匹配新方法，解决了常规微腔布里渊激光纵模匹配对于腔长的严格要求和级联多纵模振荡的问题，实现了单频窄线宽的布里渊激光产生。该成果以“Single-frequency Brillouin lasing based on a birefringent fiber Fabry-Perot cavity”为题于2022年2月28日发表在美国物理联合会（AIP）旗下的《Applied Physics Letters》上并被选为封面文章和编辑精选。

受激布里渊散射(SBS)是光纤中一种常见的非线性光学效应，利用高 Q 值谐振腔来增强这种效应以产生的受激布里渊激光 (SBL)因其具有窄线宽、低相噪等优点而受到广泛关注和研究，在频率计量、相干光通信、测距和微波光子学等各种应用中具有重要意义。在过去基于光纤环形腔和回音壁模式微腔产生SBL的实验中，要实现腔模自由光谱范围(FSR)和布里渊频移之间的完美匹配通常需要复杂精密的腔长度控制手段。同时，由此产生的高阶SBL限制了其作为单频激光器的应用。

在该项工作中，研究人员将上述问题的突破点放在了光纤中天然存在的双折射效应上。他们以长度为105mm的高非线性双折射光纤为材料，通过对光纤端面封装镀膜形成法布里-珀罗（FP）谐振腔结构。经测量，该谐振器的冷腔线宽为4.3MHz，Q值达到4.5×10⁷。

图一、光纤双折射法布里珀罗谐振腔的原理及表征

并且，研究人员还自研了一款应力调节装置，通过调节施加于FP谐振腔上的压力来改变光纤双折射产生的o光和e光在光纤内的相对传播速度，进而改变两套腔模之间的频率差。当两套腔模的频率差接近布里渊频移时，泵浦激光和布里渊激光将同时受到腔增强效应。与过去使用腔内同一套纵模同时满足泵浦光与散射光的谐振条件相比，该小组的方案使用了两套纵模且纵模间的频率间隔可人为调谐，使其分别满足入射光与散射光的谐振条件，大大降低了对谐振腔加工的精度要求。由于高阶SBS的频率偏移间隔相同，以往的光学微腔在满足一阶SBL谐振条件的同时不可避免地也满足了高阶SBL的谐振条件。而在该方案中，通过合理控制两套腔模的自由光谱范围和频率间隔可仅产生一阶SBL，对于高阶散射增益均无法得到两套腔模的增强。故此设计的另一优势在于可以有效地抑制多纵模振荡，实现单频输出。在本研究中，泵浦激光与新产生的SBL偏振方向相互垂直，因此可以利用偏振分束器将泵浦激光与SBL有效分离。经实验验证，通过该方案产生的SBL在10倍于阈值功率的条件下依然能保持其单频性。

图二、受激布里渊激光光谱及输出功率测量

同时，得益于布里渊激光的线宽压窄效应，SBL的基础线宽与泵浦激光相比实现两个数量级的提升，到达50Hz，其相位噪声也明显降低。通过调节施加在FP腔上的应力，研究人员还实现了对SBL频率的连续调谐，这为下一代小型化窄线宽可调谐激光器提供了新思路。

图三、泵浦激光与布里渊激光线宽与相位噪声测量

南京大学电子科学与工程学院博士后贾琨鹏和谢臻达教授为共同通讯作者，南京大学电子科学与工程学院研究生郭健为该项成果的第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金前沿技术项目、广东省重点研发计划、南京大学卓越研究计划和江苏省博士后科研资助计划的资助。