近日，西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙建林教授研究團(tuán)隊(duì)六年堅(jiān)持不懈，成功研發(fā)光波長轉(zhuǎn)換器件，可將近紅外光穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為可見光，在豐富感知光源的同時(shí)，有效地提高光纖利用率。這項(xiàng)成果不僅破解光纖領(lǐng)域難題，也為開發(fā)其他高性能全光纖非線性光信息處理器件提供了新思路。
相關(guān)研究成果日前以“High-efficiency second-order nonlinear processes in an optical microfibre assisted by few-layer GaSe”為題，在線發(fā)表于國際光學(xué)頂尖期刊Light: Science & Applications。論文第一作者為團(tuán)隊(duì)姜碧強(qiáng)副教授，通訊作者為甘雪濤教授和趙建林教授，西工大為唯一作者單位。論文鏈接為：https://www.nature.com/articles/s41377-020-0304-1。
Light：Science and Applications由Nature出版集團(tuán)與中科院長春光機(jī)所合作出版，期刊入選“中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃”—領(lǐng)軍期刊目錄，影響因子在全球所有原創(chuàng)性光學(xué)期刊中排名第二。
全光纖的波長轉(zhuǎn)換
光纖在我們生活中無處不在，有了光纖才有了遍布城鄉(xiāng)連接中外的高速互聯(lián)網(wǎng)、高清數(shù)字電視、5G移動(dòng)通信。從1970年美國制造出世界上第一根可用于光通信的光纖，半個(gè)世紀(jì)以來，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜沂冀K朝著“超大容量、超長距離、超高速率”光通信技術(shù)前沿不斷探索。如果能夠?qū)⒛撤N波長的光在光纖中傳輸后直接變成另一種波長，將可以有效提高光纖傳遞和感知信息的效率。但光波波長轉(zhuǎn)換是一種非線性光學(xué)過程，一般需要高功率激光和精密的光學(xué)參數(shù)配合，轉(zhuǎn)換條件非常苛刻。如何降低光纖中波長轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)條件，就成為了困擾科學(xué)家們的一個(gè)難題。
西工大趙建林團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出在一段直徑為微米量級(jí)的光纖上沉積二維層狀材料硒化鎵，利用微光纖的強(qiáng)烈倏逝波與硒化鎵二維材料相耦合，借助硒化鎵的二階非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了在全光纖中光波長轉(zhuǎn)換的有效控制，極大提高了光波長轉(zhuǎn)換效率，降低了轉(zhuǎn)換能耗。
“將一根光纖的一部分變細(xì)為原來的約百分之一，讓光波沿著光纖外壁傳輸，而光纖外壁上裹覆有能將通信波段光轉(zhuǎn)換為可見光的材料，讓變色后的光波仍然可以在光纖中繼續(xù)傳輸。這樣，就構(gòu)成了一個(gè)非常簡單且高效的光波長轉(zhuǎn)換器件。”研究團(tuán)隊(duì)的姜碧強(qiáng)副教授解釋說，光纖中的光波長轉(zhuǎn)換器件，就好比電網(wǎng)中的變電站，通過對光信息分級(jí)處理，讓光網(wǎng)絡(luò)更加靈活且擴(kuò)容。經(jīng)該技術(shù)處理的光纖，可直接接入通用的光纖通信和傳感系統(tǒng)中，且僅需百微瓦量級(jí)光功率即可將近紅外光穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為可見光，在豐富感知光源的同時(shí)，有效地提高光纖利用率，也為開發(fā)其他高性能全光纖非線性光信息處理器件提供了新的思路。
“為了這一瞬的光，我們團(tuán)隊(duì)整整探索了6年。”趙建林教授介紹說，2014年團(tuán)隊(duì)開始了實(shí)驗(yàn)嘗試。自主設(shè)計(jì)小型實(shí)驗(yàn)裝置，搭建完成整套光的產(chǎn)生、調(diào)制、感知與測量系統(tǒng)，將石墨烯裹覆到光學(xué)微結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)光的濾波、調(diào)制、開關(guān)、光速的控制等，然而始終無法在光波長的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)突破。團(tuán)隊(duì)針對這一難題，借助光譜測量、納米加工等技術(shù)手段持續(xù)優(yōu)化材料體系和器件，從一次次的實(shí)驗(yàn)失敗中最終實(shí)現(xiàn)成功的突破。
“今年的政府工作報(bào)告中明確提出要加大新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，實(shí)施擴(kuò)大內(nèi)需戰(zhàn)略。”趙建林教授說，新一代信息技術(shù)為核心的“新基建”已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)能，而作為“新基建”基礎(chǔ)設(shè)施的光纖，也迎接創(chuàng)新發(fā)展的機(jī)遇。“希望我們的研究瞄準(zhǔn)國家發(fā)展的重大需要，產(chǎn)出更多創(chuàng)新成果，成為新一代信息技術(shù)領(lǐng)域的引領(lǐng)者。”趙建林表示。
