基于高Q值微腔的受激布里渊散射产生快光的实验研究

作者及研究机构
本研究的作者包括Pengfa Chang、Xiaoting Li、Ligang Huang、Feng Gao、Wending Zhang、Fang Bo、Guoquan Zhang和Jingjun Xu。他们分别来自南开大学泰达应用物理学院和物理学院、重庆大学光电技术与系统教育部重点实验室、西北工业大学材料物理与化学教育部重点实验室和陕西光学信息技术重点实验室。该研究于2018年6月4日发表在《Optics Express》期刊上。

学术背景
陀螺仪在旋转测量中具有重要作用，广泛应用于导航、手机传感器、飞机、卫星和引力磁场效应等领域。未来的陀螺仪需要具备紧凑尺寸和高灵敏度的特点。2007年，M. S. Shahriar等人展示了基于谐振腔的光学陀螺仪，其灵敏度可以通过异常色散（anomalous dispersion）产生的快光（fast light）来增强。受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）是一种常用的色散控制方法，尤其是在光纤中，因其低阈值和光纤配置而被广泛研究。然而，传统的SBS放大器配置需要昂贵的射频信号发生器来产生快光。随着高Q值微腔（high-Q microcavities）的发展，SBS的阈值可以降低到微瓦级别，这为开发紧凑、低成本、低阈值的快光配置提供了可能。本研究旨在通过高Q值微腔中的自泵浦SBS实现快光，并探索其在陀螺仪中的应用。

研究流程
研究流程主要包括以下几个步骤：
1. 实验设计：研究采用锥形光纤（tapered fiber）耦合微球腔（microsphere cavity）的实验配置。微球的直径约为175微米，以确保合适的模式密度。
2. 光源与调制：使用窄线宽可调谐激光器，通过掺铒光纤放大器（EDFA）放大后，由电光调制器（EOM）进行调制，调制频率从2 kHz到1 MHz。
3. SBS信号生成与测量：激光通过锥形光纤耦合到微球腔中，生成SBS信号。通过两个环形器（circulator）和光纤布拉格光栅（FBG）过滤出第一阶SBS信号，使用光学频谱分析仪（OSA）和光电探测器（PD）进行监测。
4. 延迟测量：通过示波器（oscilloscope）比较调制信号和SBS信号的延迟时间，计算群延迟（group delay）和相位延迟（phase delay）。
5. 温度效应分析：研究微腔中的光致热效应（optically induced thermal effect）对色散谱的影响，探索其在快光生成中的作用。

主要结果
1. 快光与慢光的转换：通过改变调制频率，SBS信号从快光（负群延迟）逐渐转变为慢光（正群延迟）。在2 kHz调制频率下，群延迟为-91.0微秒；在50 kHz调制频率下，群延迟达到2.6微秒。
2. 热效应的影响：微腔中的光致热效应导致色散谱的漂移，使得SBS增益发生在异常色散区域，从而实现快光。随着调制频率的增加，热效应逐渐稳定，群延迟趋于恒定。
3. 实验结果与理论一致：实验结果与典型的SBS色散演化理论一致，验证了热效应在快光生成中的关键作用。

结论
本研究首次在锥形光纤耦合微球腔系统中实现了自泵浦SBS诱导的快光，并证明了在合适调制频率下，SBS增益可以发生在异常色散区域。该结构具有低阈值和易控制的优点，为基于异常色散的应用（如陀螺仪）提供了新的技术路径。研究还展示了通过热弛豫（thermal relaxation）实现色散控制的新方法，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点
1. 首次实现自泵浦SBS快光：本研究首次在微腔中实现了自泵浦SBS诱导的快光，突破了传统SBS放大器配置的限制。
2. 低阈值与紧凑设计：利用高Q值微腔，SBS阈值降低到微瓦级别，结构紧凑且易于控制。
3. 热效应的创新应用：通过光致热效应实现色散控制，为快光生成提供了新的物理机制。

其他有价值的内容
本研究还为基于异常色散的其他应用（如光学缓冲器和延迟线）提供了新的思路，展示了高Q值微腔在光子学中的广泛应用潜力。