Nature子刊：空气光放大，空芯光纤新纪录

01

导读

空气和各种气体都能被用来实现很强的光放大？近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）Luc Thévenaz教授团队回答了这个问题。该团队利用气体布里渊效应实现了空芯光纤里的光放大，将信号放大了200,000倍，其实现的增益系数比之前的所有基于气体布里渊效应的工作至少提高了6个数量级，并且首次证实空芯光纤里的增益能远远大于标准单模光纤。基于此原理，该团队还分别展示了一种全新的气体激光器和传感器。

封面图：基于气体布里渊效应的空芯光纤光放大

图源: EPFL Group for FibreOptics

有别于传统的气体激光器，该气体激光器是首次基于光声相互作用的，并可以工作于任何波长（从真空紫外到中红外范围）。而该分布式气体传感器具有前所未有的温度测量精度以及空间分辨率，并且没有应变串扰，这个打破了30年以来分布式布里渊传感器不可避免的温度应变串扰这个物理瓶颈。

图1 海底光缆示意图

图源: ESRI.COM

02

研究背景

光纤作为信息时代的硬件基础，极大地改变了我们的生活方式，其构成的通信 络既成为大陆与大陆之间的洲际 络主干(如图1所示)，又成为家与家之间的信息传播媒介。高锟博士在上世纪60年代由于在光纤方面的开创性贡献，于2009年被授予诺贝尔物理学奖。现在的通信 络主要由标准的单模石英光纤组成，该光纤由于其非线性和色散，以及固体特征等限制，其输入功率和传输通带范围往往受限。

空芯光子晶体光纤的出现很大程度上打破了这些限制。这是由于绝大部分光能量在空气里传输，因此空芯光纤相比于传统的实芯光纤，具有潜在的更低传输损耗，更宽的传输通带，更高的激光损伤阈值，低非线性以及低色散等特征。2020年英国南安普顿大学将空芯光纤的损耗降到了0.28 dB/km，而理论计算出的空芯光纤的损耗极限在通信波段小于0.1 dB/km，比标准单模光纤的损耗极限0.14 dB/km还要低。因此，空芯光纤被普遍认为是有可能成为下一代光通信骨干 的重要组成，因此也是当前世界范围内光纤研究的最前沿。

虽然空芯光纤在光通讯中具有非常重要的应用前景，但是空芯光纤里的光放大是一个长期存在的难题。因为不像实芯光纤那样可以简单的使用掺杂来进行光放大，空芯光纤里的光绝大部分传输在空气孔里，掺杂光放大的效率非常有限。在空芯光纤里如何非常有效的进行光放大是下一代光通信的一个关键问题。

现有的空芯光纤的光放大主要有两种方案：第一种是基于低压气体分子或者原子的能级跃迁(类似于传统的气体激光器)，第二种是基于氢气的拉曼效应。这两种方案产生的光放大相比于实芯光纤，其放大效率仍然有限。而在第一种放大方案里，泵浦和激光输出波长只能工作于气体分子或者原子能级跃迁的谐振波长处。而在第二种放大方案里，氢气分子会从空芯光纤的石英壁泄漏出光纤，使得稳定的充气空芯光纤变得困难。

03

创新研究

3.1 空芯光纤气体布里渊增益

图2 空芯光纤气体受激布里渊散射原理图

图源: Nat. Photonics (2020).

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

本工作利用空芯光纤里的气体布里渊效应(图2)，当相向而行的泵浦光和探测光频率差满足空芯光纤里的气体的布里渊频移，泵浦光能够对探测光功率进行放大。

图3 空芯光纤中不同气压的气体(CO2)布里渊增益系数

图源: Nat. Photonics (2020).

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

3.2 气体布里渊光纤激光器

图4 基于布里渊效应的气体光纤激光器

图源: Nat. Photonics (2020).

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

3.3 气体布里渊分布式温度传感器

图5比较了50米长的填充41 bar CO2的空芯光纤和同样长度的单模光纤的温度和应变响应。图5（a）显示了传感测试台。图5（b）展示了空芯光纤布里渊频移的温度响应。图5（c）比较了空芯光纤和单模光纤的温度响应，其中空芯光纤的温度响应（1.2 MHz/℃）稍大于单模光纤。图5（d）和（e）表明了空芯光纤对应变完全不敏感，而单模光纤对应变和温度都敏感。

图5 气体分布式布里渊温度传感器。HCF,hollow-core fibre; SMF, single-mode fibre.

图源: Nat. Photonics (2020).

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

04

应用与展望

05

杨帆 博士

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 "FIDES" and he is currently Coordinator of the European H2020 Marie Sk?odowska-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.

章信息：

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

论 地址：

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0676-z

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原标题：《Nature子刊：空气光放大！空芯光纤新纪录》

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