交叉偏振受激布里渊散射赋能创新光子学器件

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导读

受激布里渊散射效应（SBS）是一种光子与声子相互作用的三阶非线性效应，自百年前发现以来一直是前沿研究热点。其凭借超窄MHz线宽、微波兼容的GHz频移和高频率选择性增益等特性，成为深化光与物质相互作用理解、推动技术创新的核心，已广泛应用于光学原子钟、高分辨光谱、精密光学陀螺、微波光子学、生物力学成像、量子纠缠生成等领域。

近年，通过引入更多自由度并融合其他非线性光学现象来拓展SBS基础研究与器件性能的趋势显著：环芯光纤中的光学角动量模式为SBS调控提供了新机制；利用少模光纤SBS实现了多参数同步传感；此外，该团队还利用SBS与克尔非线性的耦合解决了耗散克尔孤子频梳的热不稳定性、时间抖动及自启动难题[Nature Communications 13, 6395; Nature Communications 15, 55]，使其更适合现场部署和实际应用。

偏振调控是扩展SBS应用的另一关键维度。理论上，铌酸锂等各向异性材料可大幅增强交叉偏振SBS效应，但需精确调控其复杂的光学、声学与光弹性取向特性。近期研究虽在铌酸锂中观测到交叉偏振SBS光谱信号，但其强度是否足以支撑器件开发与性能提升仍是关键科学问题。

此外，铌酸锂的非中心对称性使其具备比克尔效应强数个量级的二阶非线性，基于此的二阶频梳展现出更低泵浦阈值、更高转换效率，并可拓展至可见光/中红外波段，在随机数生成、光学伊辛机、精密光谱学等领域潜力显著。当前亟待探索的科学问题是：交叉偏振SBS能否可与二阶非线性结合，进一步释放二阶频梳的应用潜能？

近日，电子科技大学聂明明课题组及合作者首次尝试解决上述两个问题，系统揭示了铌酸锂晶体中的交叉偏振SBS强增益特性，并展示了其与二阶非线性的高效耦合机制，从而成功开发出三种创新性光子器件。该成果发表在Nature Photonics，题为“Cross-polarized stimulated Brillouin scattering empowered photonics”。电子科技大学聂明明教授为论文第一作者兼共同通讯作者，美国科罗拉多大学博尔德分校Shu-Wei Huang教授为论文共同通讯作者。

图1：交叉偏振受激布里渊效应赋能的创新光子学器件示意图

图源：Nature Photonics

可重构布里渊激光器

传统布里渊激光器因腔长固定难以实现布里渊增益峰与谐振峰的大范围匹配。研究团队利用铌酸锂晶体的双折射热光效应及交叉偏振布里渊散射效应，可在任意波长下实现波长和空间模式可重构的布里渊激光相位匹配。通过调节晶体温度，激光器可在1540-1580 nm范围内调谐（受限于实验所用放大器），瞬时线宽低至0.7 Hz；受益于交叉偏振布里渊散射效应，信噪比高达48 dB。该技术为光学原子钟、高精度陀螺仪等设备提供了理想光源。

图2：可重构布里渊激光器

图源：Nature Photonics

高效模式转换器

利用共偏振和交叉偏振布里渊效应，首次实现腔内的布里渊增强四波混频效应，开发出偏振、横模与纵模的多维高效转换装置，其模式转换效率达55%，频率调谐范围超27 nm。这一技术可应用于光通信中的模式复用、全光信号处理等领域，显著提升系统容量与灵活性。

图3：基于腔内布里渊增强四波混频的高效模式转换器

图源：Nature Photonics

布里渊-二阶激光及频梳

利用交叉偏振布里渊效应与二阶非线性的协同作用，首次实现了内腔布里渊激光泵浦的近红外与可见光双波段激光及频率梳。其中，二次谐波转换效率达12%，频率梳线宽仅1 Hz量级。该成果为紫外至中红外光谱范围的微腔光频梳开发奠定了基础，可进一步优化得到超低噪声宽带孤子光频梳，有望推动量子传感、光学神经网络等前沿应用。

图4：布里渊-二阶激光及频梳

图源：Nature Photonics

总结与展望

交叉偏振受激布里渊散射效应在铌酸锂中的强增益特性，结合其热光、电光等多物理场调控能力，为新型光源提供了全新设计维度。随着薄膜铌酸锂光子集成技术的成熟，有望利用揭示的交叉偏振受激布里渊效应开发除上述器件外的更多创新光子学器件，在片上实现微型化与低功耗运行，为光学原子钟、高精度陀螺仪、光通信、光学神经网络等前沿应用带来变革。