前沿：布里渊随机光纤激光——探究复杂系统瞬态对称破缺的光子学平台

研究背景

      复杂系统在自然界和人类社会普遍存在，从复杂物理系统到生物系统、网络系统以及社会经济系统等。复杂系统中高度无序行为如何受隐性的规则所支配一直是亟待解决的难题，采用副本对称性破缺（Replica Symmetry Breaking，RSB）的分析方法巧妙地找到了无序复杂系统中隐藏的模式，并由此荣获了2021年诺贝尔物理学奖。随机光纤激光系统利用了光纤中的分布式瑞利散射作为激光随机反馈机制，一定程度上表现为无序相互作用的光子复杂系统，为复杂系统中副本对称性破缺的实验研究提供了新的思路。布里渊随机光纤激光系统基于光纤中受激布里渊散射实现激光增益，能够激发超过数十毫秒的长寿命高相干随机激光模式，具有丰富的统计与动力学特性和灵活调控的优点。与传统随机光纤激光相比，常规单模光纤中布里渊激光的频移量为10GHz量级，增益带宽仅为20 MHz，易于运用光外差法将其随机激光模式高保真地记录，这些独特的优势使得布里渊随机光纤激光系统成为研究复杂系统的一种新型光子学研究平台。

论文导读

      近期，上海大学特种光纤与光接入网国家重点实验室培育基地王廷云教授团队张亮、庞拂飞教授课题组联合加拿大渥太华大学Xiaoyi Bao（鲍晓毅）教授课题组报道了基于布里渊随机光纤激光系统的瞬态复本对称性破缺现象。研究人员提出了复本对称性破缺的瞬态分析方法并借助光外差技术实时观测了随机激光模式景观在时间和频域下的动态演变过程，揭示了随机激光系统中复本对称性破缺相变的瞬态统计特性。相关工作以“Transient replica symmetry breaking in Brillouin random fiber lasers”为题于2023年10月9日发表在 PhotoniX 上。论文第一作者为上海大学张亮教授，主要完成人为上海大学张吉临（导师张亮教授），论文通讯作者为上海大学张亮教授、庞拂飞教授，本工作得到上海大学王廷云教授、加拿大渥太华大学鲍晓毅院士、陈亮教授的悉心指导。该研究得到了国家自然科学基金委、上海市科委等项目资助。

主要研究内容

      本文研究了基于布里渊随机光纤激光系统复本对称性破缺相变的统计规律和瞬态特性。如图1所示，借助光外差技术在时域和频域两个维度对布里渊随机激光模式实时演变进行高保真探测，运用序参量瞬态分析手法探究随机激光系统中复本对称性破缺相变的瞬态演化过程，进而揭示其产生机理。本文借助于布里渊随机光纤激光系统的灵活性，系统分析了影响复本对称性破缺相变观测的因素，并揭示了复本对称性破缺相变与布里渊随机光纤激光器的动力学演变的内在联系，为研究复杂系统副本对称性破缺现象提供了光子学反演的新途径。

技术突破

      实验中采用光外差技术对随机激光强度信息复本进行瞬态对称性破缺的观测，以10 kHz的分辨率采集了1000 ms内的光外差拍频激光信号。如图2展示了时域和频域两个维度的强度激光演化以及序参量函数q的分布。利用每个子时间窗内的光谱复本计算了Parisi重叠因子q，并得到其概率密度分布以及每个子时间窗内复本Parisi重叠因子分布P(q)的极大值点的绝对值|q_max|。当|q_max|的取值在1附近时，系统处于复本对称性破缺态，当|q_max|的取值在0附近时，系统处于复本对称性保持态。结果显示，复本对称性保持与复本对称性破缺两种“相”可以在相同的实验条件下得到，揭示了光子自旋玻璃化现象具备动力学特性，并与随机激光的瞬态特性密切关联。

      布里渊随机光纤激光系统表现出了与泵浦光功率相关的复本对称性破缺统计现象，此时泵浦功率类似于自旋玻璃系统中传统玻璃化温度的角色。图3展示了不同泵浦光功率下序参量极大值|q_max|的动态演变趋势。当泵浦功率低于所有布里渊随机光纤激光模式的阈值时，在持续观测时间窗内系统处于复本对称的状态。当泵浦功率开始超出某些激光模式的阈值时，一个甚至多个主导的随机模式相互竞争并从布里渊光子-声子相互作用耦合中获得相对较高的增益，在经历了光子局域化过程后实现了长寿命的激射光子随机模式。此时，随机激光模式景观的复杂程度大大降低，光子系统中的稳定状态被打破，而复本对称性破缺相变在完整的观测时间窗口中能以极大概率被捕捉，同时伴随着部分光子顺磁相的过渡，具有自旋玻璃相和光学铁磁相瞬态交替的动态演变。可见，光子系统的复本对称性破缺相变的瞬态特性本质上与自旋玻璃系统中的相变类似，由受激布里渊散射的非线性增益和光纤中瑞利背向散射的无序反馈诱导了随机激光模式之间的阻挫现象。

      实验中发现，随机模式的密度与激射光子寿命将直接影响序参量分布P(q)表征的复杂光子系统的自旋玻璃状态，甚至可实现从光子顺磁态、光子铁磁态到自旋玻璃态的调谐。在布里渊随机光纤激光器中，随机腔的长度是影响激光模式密度和局域化光子寿命的重要参数。图4展示了不同随机腔长度对应激光系统不同随机模式密度下的序参量矩阵Q的热图。随着光纤长度的增加，随机模式的环路定位变得更加复杂和不可预测，此时，系统的复杂性升高并具有丰富的动力学特性，表现出具有序参量矩阵Q沿对角线分形的高阶复本对称性破缺的特征。结果表明，布里渊随机光纤激光系统的无序性和模式密度主要依赖于光纤的长度，这使得我们可以通过调整光纤长度搭建满足不同统计特征需求的复杂光子系统，为瞬态复本对称性破缺相变的观测及物理机制的探索提供了良好的光子学研究平台。

观点评述

      综上所述，本研究首次报道了布里渊随机光纤激光系统中的瞬态复本对称性破缺现象。借助光外差技术在时域和频域实时精准地检索了随机激光模式景观演变过程，实现了复本对称性破缺的动力学特性瞬态分析。通过选择不同长度的布里渊增益和瑞利反馈光纤，实现了光子寿命和随机模式密度分布的灵活调控，使得复本对称性破缺相变与布里渊随机光纤激光系统动力学之间建立内在映射。结果表明，基于布里渊随机光纤激光的光子系统涉及非线性增益机制以及无序诱导的随机反馈，具有典型的自旋玻璃统计特征，可为复杂系统的对称破缺观测提供了一种绝佳的光子学平台，同时为进一步探索复杂系统和非线性现象的基础物理研究开辟了新的途径。

主要作者

      张亮，上海大学通信与信息工程学院教授、博士生导师，入选上海市海外高层次人才，主要从事光纤光子学、光纤激光和光纤传感领域的研究。主持国家自然科学基金面上/青年项目及上海市自然科学基金等项目，以第一/通讯作者在PRL、PhotoniX、OL、OE、JSTQE、JLT 等国际学术期刊发表20余篇。研究成果曾被Science杂志网站专题报道，亦入选“中国光学年度重要成果奖”。在CLEO、OFC、Photonics West、ICOCN等国际学术会议多次做口头/邀请报告，曾荣获AFL“青年科学家奖”。目前担任美国光学学会（OPTICA）会员、中国激光杂志社及《中国激光》青年编委、《中国惯性技术学报》青年编委。

      王廷云，上海大学教授、博士生导师，上海大学通信与信息工程学院院长，特种光纤与光接入网省部共建国家重点实验室培育基地主任，上海市领军人才，美国弗吉尼亚理工大学国家公派高级访问学者，担任《应用科学学报》主编。主要从事特种光纤、智能传感、光纤通信等方面的研究工作，承担国家重点研发计划（首席科学家）、973课题、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、重点项目、国际合作重点等项目。出版专著《特种光纤与光纤通信》。荣获上海市科技进步一等奖、二等奖，中国光学工程学会科技进步一等奖等。

      鲍晓毅，加拿大皇家科学院院士、渥太华大学物理系教授，研究领域涉及结构健康监测和无损探测应用中的光纤传感技术、光纤非线性及量子效应、光纤传感/激光/信号处理/光通信领域中的先进器件。她是美国光学学会（OPTICA）和国际光学工程学会（SPIE）会士（Fellow）。她曾荣获加拿大物理学家协会工业和应用物理学杰出成就奖章 (2013年)和应用光子学杰出成就奖章(2010年)；2021年荣获加拿大总督创新奖。2003至2023年连续担任加拿大光纤光学与光电子学首席科学家(Tier I)，2023年荣获约瑟夫·弗劳恩霍夫奖（Joseph Fraunhofer Award）以及罗伯特伯利奖（Robert M. Burley Prize）。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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