導(dǎo)讀

近日，上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院特種光纖與光接入網(wǎng)國家重點實驗室培育基地王廷云教授團隊張亮教授、龐拂飛教授在光纖非線性效應(yīng)調(diào)控方面取得重要突破。課題組提出并實驗驗證了一種在少模光纖中調(diào)控模內(nèi)前向受激布里淵散射（FSBS）的新機制。相關(guān)研究成果以“Harnessing Intra-Mode Forward Stimulated Brillouin Scattering in Few-Mode Optical Fibers”為題，發(fā)表于國際光學(xué)頂級期刊《Laser & Photonics Reviews》。

研究背景

前向受激布里淵散射（Forward Stimulated Brillouin Scattering, FSBS）是光纖中一種重要的非線性光學(xué)效應(yīng)，涉及同向傳輸?shù)谋闷止夂退雇锌怂构馀c橫向聲波相互作用。與涉及縱向聲波的后向受激布里淵散射不同，F(xiàn)SBS產(chǎn)生窄帶頻譜共振（線寬數(shù)十至數(shù)百kHz），在精密測量（如聲阻抗、溫度、應(yīng)變、壓力傳感）和光電器件（如光電振蕩器、微波光子學(xué)器件、濾波器）中具有重要應(yīng)用價值。然而，傳統(tǒng)研究主要集中在對基模（Fundamental Optical Mode, FOM）光激發(fā)的FSBS過程。在此類過程中，高階聲學(xué)模式（頻率>600 MHz）的FSBS共振幅度通常較低，限制了其在提升傳感靈敏度和實現(xiàn)頻譜可調(diào)諧性方面的潛力。值得注意的是，少模光纖（Few mode fiber, FMF）中傳輸?shù)母唠A光學(xué)模式（High-order Optical modes, HOMs）憑借其特殊的光場空間分布，可用于調(diào)控FSBS譜特性，特別是增強高階聲模共振。因此，利用光模式實現(xiàn)FSBS增益譜的主動調(diào)控，成為一個尚未被充分探索的關(guān)鍵研究領(lǐng)域。

研究亮點

本研究取得了以下突破性進展：

1）模內(nèi)FSBS全矢量理論模型與仿真：首次在FMF中對模內(nèi)FSBS過程進行了全面的理論分析，建立了包含電致伸縮力、電致伸縮壓力和輻射壓力的全矢量模型，并采用全矢量有限元法（Full vector finite element method, FEM）精確模擬了橫向聲波與HOM的相互作用。FSBS過程的仿真包括，計算了FMFs中的光學(xué)模式分布，基于此評估光驅(qū)動力（包括感應(yīng)電致伸縮力、電致伸縮力和輻射壓力），進而激發(fā)由FSBS匹配條件決定的共振聲模式，如圖1所示。 

圖1.少模光纖中模內(nèi)FSBS的全矢量有限元模擬。(a) 計算不同光模式下沿光纖截面的電場強度。(b) 模內(nèi)FSBS產(chǎn)生的電致伸縮力，以及相應(yīng)的 (c) 電致伸縮和 (d) 輻射壓力。(e) FSBS過程中聲位移的橫向分布

2）高階聲模共振強度顯著增強：如圖2所示，利用激發(fā)-探測模型對FMF中的FSBS譜進行了測試。結(jié)合理論分析與實驗結(jié)果表明，在兩模FMF中，通過選擇性地激發(fā)FMF中的特定高階光模（如LP11模），可以顯著增強高階聲學(xué)模式（特別是高于12階聲學(xué)模式）的FSBS共振強度，如圖3所示。當泵浦光和探測光均是LP11模時，第14階徑向聲學(xué)模式的共振強度相較于基模（LP01）激發(fā)的情形，最高可增強23倍，如圖4所示。 

圖2.實驗裝置圖 

圖3.兩模少模光纖中的FSBS譜。在泵浦光和探測光分別以相同光模式對 (a) LP01和 (b) LP11傳播的情況下，實驗測量信號（實線）和仿真信號（虛線）的FSBS譜。(c) 泵浦光在LP11模式下傳播，探測光在LP01模式下得到的FSBS譜。FSBS譜以最高峰值幅值進行了歸一化處理 

圖4. (a) 兩模FMF中FSBS的歸一化頻譜響應(yīng)，由激活泵浦和探測光在不同光模式下傳播測量。(b) 各階徑向聲模各自的增強因子η（與FOM中相比）

3） 動態(tài)增益譜調(diào)控新機制：在四模少模光纖中，研究發(fā)現(xiàn)不同高階光模式（如LP01, LP11, LP21, LP02）在光纖橫截面上可激發(fā)出不同的光學(xué)力分布和聲學(xué)模式響應(yīng)。通過控制激活的高階光模類型，可以靈活地“裁剪”FSBS增益譜的形狀（例如，包絡(luò)從單峰變?yōu)殡p峰或三峰包絡(luò)），實現(xiàn)對特定頻率范圍內(nèi)聲光耦合強度的調(diào)控，如圖5所示。這提供了一種無需改變光纖幾何結(jié)構(gòu)即可動態(tài)重塑FSBS譜響應(yīng)的新途徑。 

圖5.四模光纖中FSBS譜的實驗與仿真結(jié)果。由不同線偏振光模式相互作用產(chǎn)生的增益譜。(a) LP01, (b) LP11, (c) LP21, (d) LP02。FSBS譜以最高峰值幅值進行了歸一化處理

總結(jié)與展望

本工作系統(tǒng)揭示了少模光纖中高階光模在調(diào)控模內(nèi)FSBS過程中的關(guān)鍵作用，特別是對高階聲學(xué)模式共振的顯著增強效應(yīng)。所提出的通過選擇特定的高階光模來“定制”FSBS增益譜的方法，為開發(fā)新型高性能聲光器件開辟了新道路。同時，該研究不僅為FSBS基礎(chǔ)研究提供了新見解，也為未來基于少模和多模光纖設(shè)計高性能光機械設(shè)備和傳感系統(tǒng)奠定了重要基礎(chǔ)。

上海大學(xué)為論文第一完成單位，通信學(xué)院博士生李依純（導(dǎo)師：張亮教授）為論文第一作者，張亮教授、龐拂飛教授與智利Técnica Federico Santa María大學(xué)Marcelo A. Soto副教授為共同通訊作者。本工作得到上海大學(xué)王廷云教授的悉心指導(dǎo)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、111計劃學(xué)科創(chuàng)新引智基地、上海市專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺以及智利國家研究與發(fā)展機構(gòu)的資助。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202402295