上海大学科研团队在光纤非线性效应调控方面取得重要突破

导读

近日，上海大学通信与信息工程学院特种光纤与光接入网国家重点实验室培育基地王廷云教授团队张亮教授、庞拂飞教授在光纤非线性效应调控方面取得重要突破。课题组提出并实验验证了一种在少模光纤中调控模内前向受激布里渊散射（FSBS）的新机制。相关研究成果以“Harnessing Intra-Mode Forward Stimulated Brillouin Scattering in Few-Mode Optical Fibers”为题，发表于国际光学顶级期刊《Laser & Photonics Reviews》。

研究背景

前向受激布里渊散射（Forward Stimulated Brillouin Scattering, FSBS）是光纤中一种重要的非线性光学效应，涉及同向传输的泵浦光和斯托克斯光与横向声波相互作用。与涉及纵向声波的后向受激布里渊散射不同，FSBS产生窄带频谱共振（线宽数十至数百kHz），在精密测量（如声阻抗、温度、应变、压力传感）和光电器件（如光电振荡器、微波光子学器件、滤波器）中具有重要应用价值。然而，传统研究主要集中在对基模（Fundamental Optical Mode, FOM）光激发的FSBS过程。在此类过程中，高阶声学模式（频率>600 MHz）的FSBS共振幅度通常较低，限制了其在提升传感灵敏度和实现频谱可调谐性方面的潜力。值得注意的是，少模光纤（Few mode fiber, FMF）中传输的高阶光学模式（High-order Optical modes, HOMs）凭借其特殊的光场空间分布，可用于调控FSBS谱特性，特别是增强高阶声模共振。因此，利用光模式实现FSBS增益谱的主动调控，成为一个尚未被充分探索的关键研究领域。

研究亮点

本研究取得了以下突破性进展：

1）模内FSBS全矢量理论模型与仿真：首次在FMF中对模内FSBS过程进行了全面的理论分析，建立了包含电致伸缩力、电致伸缩压力和辐射压力的全矢量模型，并采用全矢量有限元法（Full vector finite element method, FEM）精确模拟了横向声波与HOM的相互作用。FSBS过程的仿真包括，计算了FMFs中的光学模式分布，基于此评估光驱动力（包括感应电致伸缩力、电致伸缩力和辐射压力），进而激发由FSBS匹配条件决定的共振声模式，如图1所示。 

图1.少模光纤中模内FSBS的全矢量有限元模拟。(a) 计算不同光模式下沿光纤截面的电场强度。(b) 模内FSBS产生的电致伸缩力，以及相应的 (c) 电致伸缩和 (d) 辐射压力。(e) FSBS过程中声位移的横向分布

2）高阶声模共振强度显著增强：如图2所示，利用激发-探测模型对FMF中的FSBS谱进行了测试。结合理论分析与实验结果表明，在两模FMF中，通过选择性地激发FMF中的特定高阶光模（如LP11模），可以显著增强高阶声学模式（特别是高于12阶声学模式）的FSBS共振强度，如图3所示。当泵浦光和探测光均是LP11模时，第14阶径向声学模式的共振强度相较于基模（LP01）激发的情形，最高可增强23倍，如图4所示。 

图2.实验装置图 

图3.两模少模光纤中的FSBS谱。在泵浦光和探测光分别以相同光模式对 (a) LP01和 (b) LP11传播的情况下，实验测量信号（实线）和仿真信号（虚线）的FSBS谱。(c) 泵浦光在LP11模式下传播，探测光在LP01模式下得到的FSBS谱。FSBS谱以最高峰值幅值进行了归一化处理 

图4. (a) 两模FMF中FSBS的归一化频谱响应，由激活泵浦和探测光在不同光模式下传播测量。(b) 各阶径向声模各自的增强因子η（与FOM中相比）

3） 动态增益谱调控新机制：在四模少模光纤中，研究发现不同高阶光模式（如LP01, LP11, LP21, LP02）在光纤横截面上可激发出不同的光学力分布和声学模式响应。通过控制激活的高阶光模类型，可以灵活地“裁剪”FSBS增益谱的形状（例如，包络从单峰变为双峰或三峰包络），实现对特定频率范围内声光耦合强度的调控，如图5所示。这提供了一种无需改变光纤几何结构即可动态重塑FSBS谱响应的新途径。 

图5.四模光纤中FSBS谱的实验与仿真结果。由不同线偏振光模式相互作用产生的增益谱。(a) LP01, (b) LP11, (c) LP21, (d) LP02。FSBS谱以最高峰值幅值进行了归一化处理

总结与展望

本工作系统揭示了少模光纤中高阶光模在调控模内FSBS过程中的关键作用，特别是对高阶声学模式共振的显著增强效应。所提出的通过选择特定的高阶光模来“定制”FSBS增益谱的方法，为开发新型高性能声光器件开辟了新道路。同时，该研究不仅为FSBS基础研究提供了新见解，也为未来基于少模和多模光纤设计高性能光机械设备和传感系统奠定了重要基础。

上海大学为论文第一完成单位，通信学院博士生李依纯（导师：张亮教授）为论文第一作者，张亮教授、庞拂飞教授与智利Técnica Federico Santa María大学Marcelo A. Soto副教授为共同通讯作者。本工作得到上海大学王廷云教授的悉心指导。该研究得到了国家自然科学基金委、111计划学科创新引智基地、上海市专业技术服务平台以及智利国家研究与发展机构的资助。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202402295