在全光纤系统中可调波长与180 nm带宽的二阶非线性频率转换

把一种光变成多种光为什么重要

从医学成像到光纤互联网，现代技术都依赖于精确设计的光色，但并非每种有用的波长都有现成的便捷光源。本文提出了一种新方法：在普通光纤内用简单、连续的激光束生成丰富的多色波长，并且仅需毫瓦级功率。结果是一个紧凑的光纤器件，能够产生并调谐宽带光，有望缩小并简化当前依赖笨重、高功耗设备的许多光学系统。

一根薄薄的包覆光纤如何重塑光

工作的核心是一根非常细的光纤，称为微纤，其中央段被拉细到约三千分之一毫米直径。在这根腰部的一小段上，研究人员精心包裹了几层硒化镓（GaSe）晶体，硒化镓以其强烈的频率混合与倍频能力闻名。沿微纤引导的光会在玻璃芯外产生一点泄露的消逝场，与GaSe发生强耦合。这种延长的接触长度，加上精确选择的纤芯直径，使得入射红外光能高效地与晶体相互作用并产生新颜色，而无需谐振腔或复杂的微芯片。

为多色形成而设计光纤

要让频率转换高效进行，不同的光波在传播过程中必须保持同步，这一条件称为相位匹配。在标准的二氧化硅光纤中，要实现二阶过程（如将光频率加倍的二次谐波生成，SHG，或将两种不同频率相加的和频生成，SFG）相位匹配是困难的。这里团队利用仿真来调节微纤直径，使泵浦光与其转换后波在电信C波段附近的广泛输入波长范围内具有匹配的有效群速。通过将薄薄的GaSe包层视为一个温和的扰动，他们证明关键的导模在1200到1600纳米范围内几乎保持相位匹配，为宽带转换奠定了基础。

从几束激光到十种新颜色

为了测试窄带操作，作者将四束连续波电信激光以不同的红外波长耦入GaSe包覆的微纤。在另一端，他们观察到四个倍频信号和六个混频信号，总共十个可区分的可见输出。每个输出的亮度可以通过调整对应泵浦激光的功率平滑控制。通过对两束泵浦进行时间调制并让它们的脉冲滑动错开，研究人员展示了和频信号的强度如何随两波形重叠程度变化，直接可视化了波束间时间同步如何支配转换过程。

用温和的光构建宽广的彩虹

同一器件也能与固有宽带的光源配合使用。当团队用两只超发光二极管替换窄带激光器——这些器件发出稳定但光谱较宽的光时，他们在可见光区域得到三座平滑的波峰：每只二极管对应一个SHG峰，中心的宽带来自它们之间的SFG。随后他们进一步使用了经过滤波的超连续光源，该光源在红外覆盖数百纳米。在仅需几毫瓦功率下，微纤产生了近180纳米宽的“超宽带”SHG连续谱，远超先前的光纤内演示。最后，借助一只宽带二极管与一只可调窄线宽激光配对，他们表明通过调节激光颜色即可将宽带SFG带的中心波长移动超过70纳米，同时其带宽大致保持不变。

这对未来光源意味着什么

通俗地说，研究人员将一小段晶体包覆的玻璃纤线变成了一个灵活的色彩转换模块，类似于一种安静、低功耗的“倒置棱镜”：几束简单的光进来，定制的光谱出来。因为该方法完全基于光纤，它天然兼容现有电信硬件，并可通过选择不同的晶体和泵浦颜色扩展到其它波段。该工作表明，强、可调且宽带的频率转换不再需要体积庞大的晶体或高强度脉冲激光，为紧凑型光纤器件铺平道路，能够为传感、通信、计量和高级成像提供难以获得的光色。

引用: Hao, Z., Ma, Y., Jiang, B. et al. Wavelength-tunable and 180 nm-bandwidth second-order nonlinear frequency conversions in all-fiber system. npj Nanophoton. 3, 22 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00119-3

关键词: 非线性光纤光学, 宽带光源, 频率转换, 硒化镓, 和频生成