近日西工大物理科学与技术学院赵建林教授研究团队六年坚持不懈,成功研发光波长转换器件,可将近红外光稳定地转换为可见光,在丰富感知光源的同时,有效地提高光纤利用率.这项成果不仅破解光纤领域难题,也为开发其他高性能全光纤非线性光信息处理器件提供了新思路.将远小于一支普通激光笔的百微瓦量级光功率稳定地转换为可见光.

相关研究成果日前以“High-efficiency second-order nonlinear processes in an optical microfibre assisted by few-layer GaSe”为题,在线发表于国际光学顶尖期刊Light: Science & Applications.论文第一作者为团队姜碧强副教授,通讯作者为甘雪涛教授和赵建林教授,西工大为唯一作者单位.论文链接为:https://www.nature.com/articles/s41377-020-0304-1.

Light:Science and Applications由Nature出版集团与中科院长春光机所合作出版,期刊入选“中国科技期刊卓越行动计划”—领军期刊目录,影响因子在全球所有原创性光学期刊中排名第二.

全光纤的波长转换

光纤在我们生活中无处不在,有了光纤才有了遍布城乡连接中外的高速互联网、高清数字电视、5G移动通信.从1970年美国制造出世界上第一根可用于光通信的光纤,半个世纪以来,相关领域专家始终朝着“超大容量、超长距离、超高速率”光通信技术前沿不断探索.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,将可以有效提高光纤传递和感知信息的效率.但光波波长转换是一种非线性光学过程,一般需要高功率激光和精密的光学参数配合,转换条件非常苛刻.如何降低光纤中波长转换的实现条件,就成为了困扰科学家们的一个难题.

西工大赵建林团队创造性地提出在一段直径为微米量级的光纤上沉积二维层状材料硒化镓,利用微光纤的强烈倏逝波与硒化镓二维材料相耦合,借助硒化镓的二阶非线性效应实现了在全光纤中光波长转换的有效控制,极大提高了光波长转换效率,降低了转换能耗.

“将一根光纤的一部分变细为原来的约百分之一,让光波沿着光纤外壁传输,而光纤外壁上裹覆有能将通信波段光转换为可见光的材料,让变色后的光波仍然可以在光纤中继续传输.这样,就构成了一个非常简单且高效的光波长转换器件.”研究团队的姜碧强副教授解释说,光纤中的光波长转换器件,就好比电网中的变电站,通过对光信息分级处理,让光网络更加灵活且扩容.经该技术处理的光纤,可直接接入通用的光纤通信和传感系统中,且仅需百微瓦量级光功率即可将近红外光稳定地转换为可见光,在丰富感知光源的同时,有效地提高光纤利用率,也为开发其他高性能全光纤非线性光信息处理器件提供了新的思路.

“为了这一瞬的光,我们团队整整探索了6年.”赵建林教授介绍说,2014年团队开始了实验尝试.自主设计小型实验装置,搭建完成整套光的产生、调制、感知与测量系统,将石墨烯裹覆到光学微结构上实现光的滤波、调制、开关、光速的控制等,然而始终无法在光波长的转换实现突破.团队针对这一难题,借助光谱测量、纳米加工等技术手段持续优化材料体系和器件,从一次次的实验失败中最终实现成功的突破.

“今年的政府工作报告中明确提出要加大新型基础设施建设,实施扩大内需战略.”赵建林教授说,新一代信息技术为核心的“新基建”已成为我国经济发展的新动能,而作为“新基建”基础设施的光纤,也迎接创新发展的机遇.“希望我们的研究瞄准国家发展的重大需要,产出更多创新成果,成为新一代信息技术领域的引领者.”赵建林表示.