光纤中基于布里渊随机激光振荡的光速调控的研究

Recently, all-optical manipulation of the light group velocity opened a new surprising and interesting technology in the study of optics physics. It has been widely concerned for very important application prospect in all-optical communication, optical computing, hyper-sensitive detection, time cloak and so on. Light speed manipulation based on Brillouin lasing oscillation in optical fibers turns out to be an effective and flexible approach. Nevertheless, multi-longitudinal mode (MLMs) lasing operation critically limits the advancement efficiency, distance, and distortion of fast light propagation. This project will propose new approaches based on Rayleigh scattering-induced Brillouin random lasing oscillation, which substantially eliminates MLM lasing operation, for solving the fundamental problems on distance limitation and pulse distortion of fast light or even superluminal propagation in optical fibers. The key technology of light group velocity control based on Brillouin random lasing oscillation will be our research focus in order to reach kilometer-long-distance fast light and superluminal propagation in optical fibers. Furthermore, this project will study new approaches and physical limiting factors of the system optimization of this advanced fast light technique, paving a way for its practical applications.

实现对光群速度的全光调控即快慢光技术是光物理研究中一项重要的内容，在全光通信、光计算、超灵敏探测及时间隐身等方面有着重要的应用前景。光纤中基于受激布里渊激光共振为光速调控提供了一种高效灵活技术手段。然而，光纤共振腔结构中激光多纵模运转成为了限制信号加快效率、传输距离以及信号畸变的关键。项目拟利用基于瑞利散射分布式反馈的随机激光振荡的单纵模运转天然优势，克服快光及超光速传输的传输距离以及信号畸变的物理限制，重点研究基于布里渊随机激光振荡的光速调控新途径与技术关键，并实现千米量级超长距离的快光甚至超光速传输和系统优化方案，为光群速度调控带来新的实际应用价值。

光纤中受激布里渊散射效应为光群速度的全光调控提供了一种高效灵活的技术手段，在全光通信、光计算、超灵敏探测及时间隐身等方面有着重要的应用前景。本项目提出了基于布里渊随机光纤激光振荡的光速调控方案，建立了随机激光振荡的光速调控物理模型，系统推导了布里渊随机激光共振条件下时间延迟/加快量的理论公式。在上述理论研究基础上，设计并搭建了全保偏布里渊随机光纤激光振荡系统，探索了偏振效应对激光共振及光速调控的稳定性影响，实现了偏振匹配的布里渊快光及超光速传输系统，成功在实验上突破了1公里长距离传输快光及超光速的传输记录。在随机激光噪声优化方面，提出了基于动态光栅结构的高性能布里渊随机光纤激光振荡技术，并实验验证了该技术对布里渊随机光纤激光跳模问题的有效抑制及相对强度噪声的压缩，为基于随机激光共振的快光及超光速传输系统提供了技术保障。在快光效率提升方面，采用基于半开放环形腔的布里渊随机激光振荡快光传输系统，分析并研究了增益光纤长度对随机反馈强度和增益饱和效应的平衡关系，实现了随机激光共振转化效率的最优化，并有效提高了随机激光振荡的快光及超光速传输效率。项目研究结果表明，与传统布里渊激光共振方案相比，布里渊随机激光利用随机散射作为激光反馈机制，具有结构简单、相位噪声低的优点以及单频激光振荡的天然优势，有效克服了快光及超光速传输的传输距离的物理瓶颈，为长距离光群速度全光调控提供了重要的技术支撑。此外，本项目基于布里渊随机激光振荡系统，分析了该随机激光的统计特性，实验证实了类莱维分布波动特性以及副本对称性破缺现象的存在，为进一步探索复杂系统和非线性物理提供了有效的光子学研究平台。