Light: 赵建林&甘雪涛：全光纤的光波长转换器

来源：两江科技评论

撰稿 | （甘雪涛）课题组供稿

导读

光纤连接和感知世界，极大地丰富和改变了我们的日常生活和工作方式。不同波长的光在光纤中传输，带给我们五彩斑斓的信息世界。

如果能够将某种波长的光在光纤中传输后直接变成另一种波长，将可以更加丰富光纤传递和感知信息的能力。

光波波长转换是一种非线性光学过程，一般需要在光纤中传输高功率强激光才可实现。如何降低光纤中波长转换的实现条件，成为困扰科学家们的一个难题。

近日，西北工业大学赵建林教授研究团队在光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》发表文章，提出了一种二维材料辅助的全光纤波长转换方案，利用该方案制备的波长转换器，仅需百微瓦量级光功率（远小于一支普通激光笔的输出光功率）即可将近红外光稳定地转换为可见光。

该波长转换器由直径为微米量级的微光纤上裹覆具有强二阶非线性效应的层状二维材料硒化镓构成，通过倍频、和频等非线性参量过程实现波长转换，相较无源光纤，其转换效率提高了4个数量级。

在全光纤中实现光波长的高效转换，可为光纤激光器等拓展新波段光源，并且兼容现有庞大成熟的光纤通信和传感系统，在全光纤的信号处理与感知领域具有非常广泛的应用前景。

研究背景

光纤中传输的光波可被强烈地局限在横截面积仅有百平方微米的纤芯内，大大提高了光功率密度；同时，由于光波在其中经历长距离传输，大大延长了光与物质作用过程，有利于光纤非线性光学效应的激发和相关器件的开发。

然而，石英光纤中最强的非线性光学效应是三阶非线性效应，其非线性折射率系数非常小（~10-22 m2/V2），导致光纤中非线性过程的实现需要用高功率的激光，因而制约了在光纤通信与传感系统中光波长转换过程的实现。

一般地，光学介质的二阶非线性系数在数值上比三阶非线性高11个数量级，可大大降低非线性效应的激发功率。

但只有不存在中心反演对称性的介质才可表现出二阶非线性效应。

为此，科学家们通过对石英光纤进行特殊掺杂、极化等方式来人工破坏其中心反演对称性，使其产生二阶非线性效应。

遗憾的是，这些光纤处理工艺大都需要复杂苛刻的制备工艺，并且很难保证其光学特性的均匀性。

目前，在光纤中低功率连续激光可泵浦的光波长转换仍存在挑战，是人们孜孜以求的目标。

创新研究

如图1所示，通过在该集成光纤器件中输入波长λ1和λ2（或频率ω1和ω2）的两束光波，由于二阶非线性效应（倍频与和频），将输出波长分别为λ1/2、λ2/2和λ3=λ1λ2/(λ1+λ2)（或频率2ω1、2ω2和ω1+ω2）的三束光波。

得益于集成硒化镓的强二阶非线性与全光纤结构高效的信号收集效率，通过检测材料集成前后脉冲光泵浦的倍频光信号显示，波长转换的效率提高了4个数量级，为低功率连续激光泵浦实现高效二阶非线性过程提供了新的可能。

图1. 全光纤波长转换器（a）结构示意图与（b）激发的波长转换信号。

为获得高的波长转换效率，针对硒化镓-微光纤集成结构的非线性倍频过程，该工作理论分析了基频光（泵浦光）与倍频光（信号光）之间的相位匹配条件，并对微光纤的直径和硒化镓材料的均匀性、厚度以及散射损耗进行了控制。

实验上，采用不同波段的激光器作为泵浦光源，如波长1310nm和1550nm的窄带激光器，均可实现倍频光的输出（输出波长分别为655nm和775nm）。

采用1550nm波长泵浦时，调整其功率从0到17mW变化，观察到了逐渐增长的倍频光信号（图2），并且输出功率与泵浦功率满足严格的二次方依赖关系，与电偶极子理论预测一致。

其次，在可调谐激光器的波长调谐范围（1500~1620nm）内取任意波长激光泵浦时，均实现了有效的倍频光输出，表明该波长转换器具有宽谱带工作特点。

进一步的泵浦功率阈值测试表明，仅用百微瓦级的连续光泵浦即可激发稳定的倍频光。

图2. 连续光泵浦时，（a）倍频光谱随泵浦功率的演化以及（b）二次方依赖关系。

二阶非线性效应还支持其他波长转换过程，如和频、自发参量下转换等。

一般地，利用脉冲激光实现这些波长转换过程，需要精确控制两个甚至多个脉冲光的同步性。该研究团队所提出的全光纤波长转换器采用连续激光作为泵浦光源，避免了不同脉冲激光的同步性限制。

如图3所示，采用来自不同激光器输出的两束连续激光（1310nm和1550nm）同时泵浦该波长转换器时，除了获得各自的倍频光外，还得到了更强的和频光输出。

改变其中一个连续泵浦光的波长或功率，相应的倍频与和频光发生波长移动或信号强度变化，并且和频光强度的变化符合理论预测的线性依赖关系。

图3. 两个连续光同时泵浦时，倍频、和频光以及随波长的演化

应用与展望

其全光纤的结构可以方便地接入目前的光纤通信和传感系统中，有望得到更广泛的应用，也为其他高性能全光纤非线性器件的实现打开了新的思路。

据悉，该论文的核心概念已提交了中国发明专利申请。

文章信息：

论文主要作者为团队姜碧强副教授和博士生郝臻，通讯作者为甘雪涛教授和赵建林教授。

https://doi.org/10.1038/s41377-020-0304-1

文章来源：中科院长春光机所·Light学术出版中心