《Optics & Laser Technology》：Broadband multi-wavelength fiber laser with double Brillouin frequency spacing based on intensity-controllable Brillouin random resonance
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双布里渊频率光纤激光器通过强度可控布里渊随机共振和噪声辅助增益展宽机制实现，利用高功率EDFA解决泵浦光与反馈光功率分配矛盾，增强Rayleigh散射、布里渊散射和四波混频效应，双环腔分离奇偶阶布里渊斯托克斯激光，引入衰减器调控共振强度，输出90nm带宽含181条偶阶线且功率波动小于30dB，并基于自旋玻璃理论分析强度动力学特性。
Jingyang Wang|Fei Wang|Yingke Xie|Ziye Gao|Tao Deng|Zhengmao Wu
中国西南大学物理科学与技术学院，重庆400715
摘要
本文提出并实现了一种基于强度可控布里渊随机共振的双布里渊频率移位宽带多波长光纤激光器。采用掺铒光纤放大器（EDFA）来增强布里渊泵浦（BP）功率，这不仅缓解了BP光与反馈光之间的功率分配矛盾，还显著提高了双环腔的增益带宽。BP光和反馈光的强度增加增强了高非线性光纤和色散补偿光纤内的瑞利散射、受激布里渊散射（SBS）和四波混频（FWM）。由于奇数阶和偶数阶布里渊斯托克斯激光（BSL）在光纤中的传播方向相反，因此设计了一个双环腔来分离它们。随后在双环腔中引入高功率EDFA和衰减器，以产生奇数阶和偶数阶BSL之间的能量梯度，并实现强度可控的布里渊随机共振，从而提高奇数阶和偶数阶BSL之间的峰值功率差并扩展梳状光栅的带宽。利用该方案，生成了一个稳定的宽带光栅，其双布里渊频率间隔为90 nm，产生了181个偶数阶BSL，峰值功率波动为30 dB。详细研究了各种系统参数对激光器输出的影响。同时，通过应用自旋玻璃理论研究了生成的光栅的强度动态和统计特性，证明了其随机性。
引言
自2010年以来，随机光纤激光器（RFL）已成为光子学领域的一个重要范例[1]、[2]。与传统环形谐振器设计不同，RFL利用光纤内部的随机散射（如瑞利散射）提供分布式反馈，从而无需离散的腔镜[3]。当总增益超过无序散射介质中的损耗时，就会发生激光发射[4]、[5]。这种独特的无腔结构由模式竞争控制，具有结构简单[6]、光谱线宽窄[7]、对热波动的鲁棒性[8]、多波长可调[9]、高功率输出[10]、[11]以及时间稳定性强[12]等优异特性。这些特性使RFL成为从光通信[13]、精密光谱学[14]、生物医学传感[15]到微波光子学[16]等多种应用的理想光源。
受激布里渊散射（SBS）是光纤中普遍存在的三阶非线性现象，由光诱导的光纤结构振动（声子）引起[17]。这一非弹性过程涉及入射泵浦光与热激发声波之间的耦合，通过电致伸缩效应[18]、[19]实现。这些传播的声波光栅产生的散射会产生频率移位的光波：低频的斯托克斯成分和高频的反斯托克斯成分。斯托克斯频率移位由声波运动的多普勒效应决定，与光纤芯中的声速成正比。由于其固有的频率选择性和热稳定性，SBS在纳米光子学[20]、[21]、[22]、非线性光学器件[23]、[24]、[25]、[26]、高分辨率传感[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、精密计量[33]、[34]以及海洋激光雷达系统[36]、[37]、[38]等领域取得了关键进展。
多波长布里渊随机光纤激光器（MW-BRFL）作为一种有前景的平台出现，具有成本效益[39]、高泵浦效率[40]、高增益[41]、窄线宽[42]和宽可调谐范围[43]。然而，一个根本性的限制是传统的布里渊频率移位（约10 GHz）导致通道间隔固定，限制了实际应用的灵活性[44]。为克服这一问题，人们开发了创新的频率间隔工程策略。例如，2018年，Mahdi等人通过拉曼泵浦和增强的非线性放大光纤环实现了可切换的多波长拉曼布里渊激光器，可以输出443个间隔为10 GHz的平坦幅度通道或215个间隔为20 GHz的通道[45]。2020年，Mahd等人利用500 m长的高非线性光纤（HNLF）和掺铒镱光纤放大器实现了146个间隔为0.246 nm的斯托克斯线输出，同时具有46.2 dB的高光信噪比（OSNR）[46]。2023年，Zhang等人提出了一种基于强拉曼泵浦和混合光纤的双布里渊频率移位超宽带多波长布里渊梳光源，带宽达到63.5 nm[47]。上述方案均采用具有强增益的拉曼泵浦来实现不同波长间隔的多波长激光。还有一些方案通过保偏光纤环镜（PMFLM）实现双通道间隔。例如，2020年，Wang等人提出了一种波长间隔可切换的MW-BRFL，使用半开放式腔体可以输出118个功率偏差小于15 dB的稳定斯托克斯激光线；当PMFLM与HNLF的自由端通过光隔离器级联时，可以方便地实现波长间隔可切换的激光[48]。2023年，Zhou等人实现了一种可切换和可调的MW-BRFL，可以通过PMFLM输出8个斯托克斯线[49]。然而，PMFLM的实现对环境扰动（温度、应力、声噪声）敏感，限制了其操作稳定性。此外，布里渊梳的波长依赖频率间隔与PMFLM的等距光谱过滤不匹配，从而限制了梳状光栅带宽的可扩展性。
本文提出了一种基于强度可控布里渊随机共振和噪声辅助铒增益展宽机制的新型双布里渊频率移位宽带多波长光纤激光器实现方法。首先使用掺铒光纤放大器（EDFA）增强布里渊泵浦（BP）功率，然后将其注入光纤腔。这一过程解决了BP光与反馈光之间的功率分配问题，宽带噪声的注入在光纤腔内的光放大器增益谱中引入了红移，从而显著提高了其增益带宽。随后，BP光和反馈光的强度增加增强了HNLF和色散补偿光纤（DCF）内的瑞利散射、SBS和FWM。当强泵浦光进入HNLF并超过SBS阈值时，会激发SBS。生成的布里渊斯托克斯激光（BSL）和未消耗的BP光进入DCF，重新激活BSL。由于奇数阶和偶数阶BSL在光纤中的传播方向相反，因此构建了一个双环腔来分离它们，并在子光纤环（SFL）中引入高功率EDFA，进一步产生奇数阶和偶数阶BSL之间的能量梯度。然后引入衰减器来控制BSL的共振强度。通过这些措施，可以提高奇数阶和偶数阶BSL之间的峰值功率差并扩展梳状光栅的带宽。利用该方案，生成了一个稳定的宽带光栅，其双布里渊频率间隔为90 nm，产生了181个偶数阶BSL，峰值功率波动为30 dB。详细研究了各种系统参数对激光器输出的影响。同时，通过应用自旋玻璃理论研究了生成的光栅的强度动态和统计特性，证明了其随机性。
实验装置
图1展示了所提出的双布里渊频率移位多波长布里渊-铒光纤激光器的示意图。一个波长可调激光源（TLS，SANTEC TSL-570）产生全宽半高值（FWHM）为200 kHz的连续波（CW）。CW通过EDFA1放大以增强光功率，作为BP。随后通过三环偏振控制器（PC，PC1）和光耦合器（OC）引导进入双环腔。
结果与讨论
图2(a)显示了EDFA1的放大自发发射（ASE）增益谱、仅包含EDFA2的双环腔的自由运行谱（FRS），以及同时包含EDFA1和EDFA2的双环腔的FRS。当EDFA1的输出功率达到15.51 dBm时，其峰值增益出现在1530.35 nm，光谱覆盖范围为1517.91 nm至1572.29 nm，带宽为30 dB。在仅包含EDFA2的双环腔中，当其输出功率设置为2.60 W时，光谱...
结论
总结来说，我们提出并验证了一种基于强度可控布里渊随机共振的双布里渊频率间隔宽带多波长光纤随机激光器。使用EDFA增强BP功率不仅缓解了BP光与反馈光之间的功率分配矛盾，还显著提高了双环腔的增益带宽。BP光和反馈光的强度增加增强了HNLF内的RS、SBS和FWM。
CRediT作者贡献声明
Jingyang Wang：撰写——原始草稿、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。Fei Wang：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、概念化。Yingke Xie：可视化。Ziye Gao：验证。Tao Deng：正式分析。Zhengmao Wu：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中央高校基本科研业务费（项目编号SWU020001）、国家自然科学基金（项目编号61575034、61775184、61875167、61875168、62575247）以及重庆市自然科学基金（项目编号CSTB2025NSCQ-GPX0498和CSTB2023NSCQ-MSX0120）的支持。
