空氣光放大20萬倍！空芯光纖新紀錄

撰稿 | 楊帆（論文第一作者&通訊作者）

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導讀

空氣和各種氣體都能被用來實現很強的光放大？近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Luc Thévenaz教授團隊回答了這個問題。該團隊利用氣體布裡淵效應實現了空芯光纖裡的光放大，將信號放大了200,000倍，其實現的增益係數比之前的所有基於氣體布裡淵效應的工作至少提高了6個數量級，並且首次證實空芯光纖裡的增益能遠遠大於標準單模光纖。基於此原理，該團隊還分別展示了一種全新的氣體雷射器和傳感器。

封面圖：基於氣體布裡淵效應的空芯光纖光放大

圖源: EPFL Group for FibreOptics

有別於傳統的氣體雷射器，該氣體雷射器是首次基於光聲相互作用的，並可以工作於任何波長（從真空紫外到中紅外範圍）。而該分布式氣體傳感器具有前所未有的溫度測量精度以及空間解析度，並且沒有應變串擾，這個打破了30年以來分布式布裡淵傳感器不可避免的溫度應變串擾這個物理瓶頸。

該文章（題為「Intense Brillouin amplification in gas using hollow-core waveguides」）發表在國際頂尖光學期刊Nature Photonics，作者為楊帆博士，Flavien Gyger博士和Luc Thévenaz教授。

圖1 海底光纜示意圖

圖源: ESRI.COM

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研究背景

光纖作為資訊時代的硬體基礎，極大地改變了我們的生活方式，其構成的通信網絡既成為大陸與大陸之間的洲際網絡主幹(如圖1所示)，又成為家與家之間的信息傳播媒介。高錕博士在上世紀60年代由於在光纖方面的開創性貢獻，於2009年被授予諾貝爾物理學獎。現在的通信網絡主要由標準的單模石英光纖組成，該光纖由於其非線性和色散，以及固體特徵等限制，其輸入功率和傳輸通帶範圍往往受限。

空芯光子晶體光纖的出現很大程度上打破了這些限制。這是由於絕大部分光能量在空氣裡傳輸，因此空芯光纖相比於傳統的實芯光纖，具有潛在的更低傳輸損耗，更寬的傳輸通帶，更高的雷射損傷閾值，低非線性以及低色散等特徵。2020年英國南安普頓大學將空芯光纖的損耗降到了0.28 dB/km，而理論計算出的空芯光纖的損耗極限在通信波段小於0.1 dB/km，比標準單模光纖的損耗極限0.14 dB/km還要低。因此，空芯光纖被普遍認為是有可能成為下一代光通信骨幹網的重要組成，因此也是當前世界範圍內光纖研究的最前沿。

雖然空芯光纖在光通訊中具有非常重要的應用前景，但是空芯光纖裡的光放大是一個長期存在的難題。因為不像實芯光纖那樣可以簡單的使用摻雜來進行光放大，空芯光纖裡的光絕大部分傳輸在空氣孔裡，摻雜光放大的效率非常有限。在空芯光纖裡如何非常有效的進行光放大是下一代光通信的一個關鍵問題。

現有的空芯光纖的光放大主要有兩種方案：第一種是基於低壓氣體分子或者原子的能級躍遷(類似於傳統的氣體雷射器)，第二種是基於氫氣的拉曼效應。這兩種方案產生的光放大相比於實芯光纖，其放大效率仍然有限。而在第一种放大方案裡，泵浦和雷射輸出波長只能工作於氣體分子或者原子能級躍遷的諧振波長處。而在第二种放大方案裡，氫氣分子會從空芯光纖的石英壁洩漏出光纖，使得穩定的充氣空芯光纖變得困難。

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創新研究

3.1 空芯光纖氣體布裡淵增益

圖2 空芯光纖氣體受激布裡淵散射原理圖

圖源: Nat. Photonics (2020).

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

本工作利用空芯光纖裡的氣體布裡淵效應(圖2)，當相向而行的泵浦光和探測光頻率差滿足空芯光纖裡的氣體的布裡淵頻移，泵浦光能夠對探測光功率進行放大。

之前的報導裡，空芯光纖裡的氣體拉曼效應和克爾非線性效應都是和氣壓成正比，而本文發現空芯光纖裡的氣體布裡淵增益是和氣壓成平方關係。這就意味著當增加空芯光纖裡的氣壓時，其布裡淵增益會得到極大的增強。圖3顯示當空芯光纖裡填充的CO2的氣壓為41 bar的時候，其增益係數是標準單模光纖的6倍，而該增益係數比之前所有的自由空間氣體實驗大了至少6個數量級。這也是首次實現空芯光纖的增益係數遠遠大於標準單模光纖。

圖3 空芯光纖中不同氣壓的氣體(CO2)布裡淵增益係數

圖源: Nat. Photonics (2020).

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

3.2 氣體布裡淵光纖雷射器

布裡淵雷射器由於具有線寬壓縮效果通常被用來做超窄線寬雷射光源。本文中首次實現基於布裡淵效應的氣體雷射器，該雷射器具有低閾值（33 mW）特徵（圖4），並且能夠工作於任何波長（從真空紫外到中紅外）。

圖4 基於布裡淵效應的氣體光纖雷射器

圖源: Nat. Photonics (2020).

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

3.3 氣體布裡淵分布式溫度傳感器

溫度和應變交叉敏感問題存在於至今所有的基於布裡淵效應的傳感器中，這是因為現有的傳感器都是基於固體材料，而固體材料中的聲速不可避免的同時對溫度和應變有響應。本文提出用空芯光纖裡的氣體的布裡淵效應來做溫度測量，使得傳感器對應變沒有交叉響應。這是因為光在氣體裡傳播，因而無法感知石英壁的應變。

圖5比較了50米長的填充41 bar CO2的空芯光纖和同樣長度的單模光纖的溫度和應變響應。圖5（a）顯示了傳感測試臺。圖5（b）展示了空芯光纖布裡淵頻移的溫度響應。圖5（c）比較了空芯光纖和單模光纖的溫度響應，其中空芯光纖的溫度響應（1.2 MHz/℃）稍大於單模光纖。圖5（d）和（e）表明了空芯光纖對應變完全不敏感，而單模光纖對應變和溫度都敏感。

圖5 氣體分布式布裡淵溫度傳感器。HCF,hollow-core fibre; SMF, single-mode fibre.

圖源: Nat. Photonics (2020).

http://doi.org/10.1038/s41566-020-0676-z (Fig. 5)

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應用與展望

本文提出並證實了一種新穎的空芯光纖有效光放大方案，該方案不僅僅局限於某種特定氣體，空氣和其他各種氣體同樣適用。本文還開發了一種新的基於布裡淵效應的低閾值氣體雷射器，該雷射器能夠工作於任何波長(從真空紫外到中紅外)。該雷射器還可以被應用於高精度陀螺儀，在導航、定位以及航空航天領域具有重要應用。

除此之外，本文還展示了一種新穎的分布式溫度傳感器，該傳感器具有0.3℃的溫度精度以及1.28 cm的空間解析度，更有趣的是該溫度傳感器被證實完全無應變交叉響應。

空芯光纖的光暗化效應要遠遠低於實芯的單模光纖，因此本文的雷射器和傳感器能夠工作於高輻射環境，例如太空飛行器或者核反應堆中。

本文還證實了氣體的聲子壽命比標準單模光纖的聲子壽命長10倍，因此可以用該系統實現更長時間的光存儲，更窄的微波濾波器。值得一提的是，本文的思路還可以被應用到集成波導裡面，我們最近的一個工作首次發現集成氮化矽波導的布裡淵效應（Physical Review Letters，124，013902（2020））。基於氣體布裡淵效應的集成波導光放大以及由此產生的雷射器和傳感器很可能會是下一個研究熱點。

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作者簡介（通訊作者）

楊帆 博士

楊帆博士，分別於2008年和2011年在華中科技大學光電系獲得學士和碩士學位，2015年在香港理工大學獲得博士學位。博士導師為靳偉教授，研究方向為光纖氣體傳感與空芯光纖。2015年9月至2017年6月在香港理工大學繼續從事研究員工作，研究方向為高精度氣體檢測。2017年7月至今在瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）光纖研究組從事博士後研究，合作導師為Luc Thévenaz教授，研究方向為氣體非線性以及光聲相互作用。楊帆博士在國際期刊發表超過25篇研究論文，以第一或者共同第一作者發表Nature Photonics, Nature Communications以及Physical Review Letters文章多篇。在第24屆國際光纖傳感大會（OFS24）獲得最佳學生論文獎；在Light: Science & Applications組織的Light Conference 2019獲得「Rising Stars of Light」三等獎。被邀請在CIOP，AFL等國際會議做大會特邀報告。

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 &34; 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.

文章信息：

FanYang, Flavien Gyger and Luc Thévenaz, 「Intense Brillouin amplification in gasusing hollow-core waveguides,」 Nature Photonics, online early publishing, 2020.

文章來源於中國光學 ，作者長光所Light中心，江蘇雷射聯盟轉載