撰稿 | NJU
近日，以色列巴伊兰大学，工程学院和纳米技术先进材料研究所Avi Zadok团队报道了一个对标准熊猫型保偏光纤的前向受激布里渊散射的综合研究。其结果首次证明了标准光纤中光机械前向散射的非互易性。该工艺可以扩展到前向布里渊激光器、光隔离器和循环器以及在现有较长截面的保偏光纤上的窄带微波光子滤波器。
该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Forward Stimulated Brillouin Scattering and Opto-Mechanical Non-Reciprocity in Standard Polarization Maintaining Fibres”，Gil Bashan为论文的第一作者，Avi Zadok为论文共同通讯作者。
受激布里渊散射(SBS)是一种非线性光机械相互作用，它是一种光场分量和在普通介质中传播的声波之间的耦合。SBS支持光波和声波的窄带振荡、全光和微波光子信号处理、温度、应变、几何形状和折射率的空间分布传感等。自1970年代以来，光纤中的SBS已得到广泛研究。该过程可以在向前或向后的方向上进行，两个光色调可以共同传播或反向传播。后向效应在窄带激光源、光纤传感器和微波光子滤波器中更为广为人知并被采用。近年来，光纤中的前向SBS越来越引起人们对包层和涂覆层外介质分析的兴趣。
在大多数情况下，参与SBS的两种光波以相同的导光模式传播。标准光纤中这种模内SBS中涉及的声波具有特定的特性：在后向SBS情况下它们是纯轴向（纵向），而在前向SBS中几乎完全横向。当两个光场以不同的空间模式引导时，模间SBS过程也是可能的。文献[Nature Photon. 12, 91-97 (2018)]在氮化铝和悬浮硅膜中的集成光子电路中报道了模间前向SBS的里程碑式演示，这可以用来实现超窄带激光源和微波光子滤波器。模态间前向SBS中的声轴波数远大于模态内过程的声轴波数。这种特性产生了模内前向SBS无法达到的非互易传播效应，并且还消除了散射到上下探测边带之间的对称性。向后的模间布里渊散射也是可能的：该过程已在标准光纤的单芯模式和包层模式之间得到证明，并用于包层外折射率的分布式传感。
SBS过程强烈依赖于光的偏振。在大多数光纤设置中，当两个光学音调共极化时，声波的刺激是最佳的，而当它们的极化状态正交时，效果就会消失。然而，这种限制并不是禁止的：涉及两个正交偏振光场的前向SBS已被证明并用于光子晶体和纳米结构光纤。这种内极化过程代表了特定类别的模式间散射。然而，尚未在标准纤维中探索这种可能性。
保偏光纤用于许多反向SBS研究。保偏光纤支持两个模内反向SBS过程之间的耦合，在所谓的布里渊动态光栅中：在一个主轴上极化的两个反向传播的泵浦音激发声波，同一波反射正交极化的探测光。布里渊动态光栅应用于分布式传感、微波光子学和全光信号处理。1990年代的一系列论文中研究了保偏光纤上正向自发布里渊散射。然而相应的受激过程尚未得到研究。
图2: 保偏光纤模内前向SBS的测量与计算。a 实验装置示意图。b-c 分别显示了沿慢轴和快轴的模内前向SBS交叉相位调制的测量和计算的归一化系数。d 由于模内前向SBS的交叉极化相位调制系数的测量（红色虚线和黑色虚线）和计算（蓝色实线）归一化绝对值。
由于应变杆的存在，光纤支持大量具有复杂横向剖面的引导声模式（见图2）。这些模式产生远比标准单模光纤复杂得多的前向SBS频谱。尽管如此，这些过程的建模和预测与实验非常吻合（见图2b-d）。由于纤维横截面弹性特性缺乏径向对称性，沿快轴和慢轴的模内前向SBS过程表现出不同的光谱（见图2b-c）。结果表明，模内前向SBS还会引起两个主轴之间的交叉相位调制（见图2d）。这种效应代表了相当于保偏光纤中后向散射布里渊动态光栅的前向SBS。
此外，该团队首次在标准光纤中演示了由两个正交偏振光泵浦音驱动的前向SBS。模间前向SBS引起相对于泵反向传播的探测波的交叉极化切换（见图3）。这一特性在传感器应用中非常有用。前向散射事件本质上难以定位，对反向传播的探测波的监测可能会解决与其空间分布分析相关的挑战。
最后，交叉极化耦合是非互易的：与泵场共同传播的相同频率的探测波不受影响（见图3c）。通过多种引导声学模式，可以使用相同的泵浦波长在多个探测波长窗口中诱导非互易性。当缩放到足够长的现成保偏光纤部分时，模间过程可以为光机械隔离器和循环器、前向布里渊激光器和超窄微波光子滤波器提供构建模块。
图3: 保偏光纤上模间前向SBS中探测波的非互易交叉极化耦合。a 工作原理示意图。b 实验装置的示意图。c 探测波调制的归一化锁定电压，作为探测波长的函数。蓝色实线，当探测波相对于两个正交极化前向SBS泵反向传播时的测量。黑色虚线，对应计算的探针交叉极化耦合归一化光谱。红色虚线，当探测波与泵音在同一方向共同传播时，测量结果相同。没有观察到调制，因为在这种情况下波数不匹配会抑制探头的交叉极化耦合。因此，该过程是非互易的。d与c的蓝线相同，泵浦音的光学频率之间的差异变为105 MHz。e 探测波调制的归一化幅度的二维扫描，作为探测波长和两个泵浦音之间的光频差的函数。f与c的蓝线相同，两个泵浦波的极化切换：高频泵浦沿慢轴极化，低频泵浦音沿快轴极化。
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