[论文解读] Superbunched random fiber laser

Qiang Ji, Yuxi Pang+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2026

Random lasers and scattering media被引用 0

一句话总结

本文展示了一种完全光纤集成的超聚集随机光纤激光器（SRFL），其瑞利散射与级联受激布里渊散射以及准相位匹配的四波混频协作，以定制极端光子统计，实现 g(2)(0) 可调从约1到约26，并实现时域幽灵成像。

ABSTRACT

Photon superbunching, distinguished by second-order coherence values far exceeding the Gaussian thermal limit, represents a highly desirable resource for quantum optics and correlation-based imaging technologies. However, existing approaches typically rely on fragile experimental platforms, inefficient nonlinear conversion processes, or mechanically complex optical architectures. Here, we demonstrate a fully fiber-integrated superbunched random fiber laser (SRFL) in which intrinsic Rayleigh scattering cooperatively interacts with cascaded stimulated Brillouin scattering and quasi-phase-matched four-wave mixing to tailor extreme photon statistics. The SRFL generates a multi-wavelength comb, in which individual spectral components exhibit widely tunable photon bunching, with the second-order coherence g(2)(0) continuously controlled from ~1 to ~26 by tuning the pump power, spectral order and diffusion length. Moreover, we establish a direct correlation between photonic phase transitions (quantified by the Parisi overlap order parameter) and the emergence of superbunching, thereby bridging macroscopic disorder physics and microscopic photon statistics. Finally, we employ the superbunched emission for temporal ghost imaging, realizing high-fidelity temporal object reconstruction with a substantial reduction in required ensemble averaging. These findings validate random fiber lasers as a robust, scalable, and integrated platform for generating extreme photon statistics and unlock new avenues for correlation-enhanced photonic sensing and quantum optics investigations in complex photonic systems.

研究动机与目标

• 促使量子光学与基于相关成像的极端光子统计的生成。
• 提出一个利用固有无序性与非线性过程的完全光纤集成平台来定制光子统计。
• 显示多波长梳中的谱分量可通过控制泵浦功率、光谱序和扩散长度来实现可调的光子成簇。

提出的方法

• 在光纤中利用固有的瑞利散射与级联受激布里渊散射以及准相位匹配的四波混频相互作用。
• 创建一个具有不同光子统计的多波长谱梳。
• 通过调节泵浦功率、光谱序和扩散长度，连续调谐 g(2)(0)。
• 建立光子相变（Parisi 重叠序参数）与超簇出现之间的联系。
• 展示具有超簇辐射的时域幽灵成像，以在减少集合平均的前提下重构时域对象。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个完全光纤集成的平台是否能通过瑞利散射与非线性过程的相互作用实现超聚集光子统计？
• RQ2 在随机泵浦、多波长光纤激光中，g(2)(0) 可以达到多大，控制它的因素是什么？
• RQ3 在该系统中，微观光子统计与宏观无序物理（Parisi 重叠）之间是否存在可测量的关系？
• RQ4 超聚集辐射能否实现实际的相关性基础探测任务，如时域幽灵成像？

主要发现

• 演示了一个完全光纤集成的 SRFL，其中瑞利散射与级联 SBS 和准相位匹配 FWM 协同工作以定制光子统计。
• SRFL 生成一个多波长梳，其单个分量显示可调的光子簇，g(2)(0) 可控地从约1到约26。
• 直接相关性在光子相变（Parisi 重叠序参数）与超簇出现之间得到确立。
• 超聚集辐射实现高保真时域幽灵成像，在集合平均显著减少的前提下完成。
• 结果将随机光纤激光定位为稳健、可扩展的平台，用于极端光子统计与相关性基础的光子传感。