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米测MeLab

2026-01-16

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

全光纤系统因其优异的输出模式质量、稳定性和便携性而备受青睐，已广泛应用于激光生成、放大和锁模等领域。

关键问题

目前，全光纤系统的研究主要存在以下问题：

1、二阶非线性转换效率低下

现有的极化光纤或修饰光纤的方法由于模式泄漏、相互作用弱或带宽窄，导致能量转换效率极低（通常小于0.1%），难以满足实际应用需求。

2、相位匹配难以在微尺度实现

传统非线性晶体与光纤制造不兼容，而新兴的范德华晶体虽具有超高非线性，但在光纤端面这种极短的传输距离内，如何通过精准的相位匹配设计实现非线性信号的持续增强仍是巨大挑战。

新思路

有鉴于此，北京大学刘开辉、洪浩和芬兰阿尔托大学Zhipei Sun等人展示了在光纤端面上集成扭转相位匹配的菱方氮化硼（rBN）薄片，用于产生二次谐波（SHG）和自发参量下转换（SPDC）。作者为相位匹配设计提供了扭转角的局部和全局优化方案，在集成到光纤器件的范德华晶体中实现了约4.1%的SHG转换效率和约90的SPDC重合率。最后，通过集成石墨烯/rBN异质结构的多功能非线性晶体，设计了一种全光纤倍频超快激光器，可同时产生锁模脉冲和腔内SHG发射。这项工作为在全光纤激光器中开发高效二阶非线性功能（如光参量振荡器、光调制器和纠缠光源）建立了一条途径。

技术方案：

1、提出了光纤端面相位匹配设计方案

研究团队设计了光纤端面夹rBN薄片的“三明治”结构，通过堆叠扭转角可调薄片克服波矢失配，实现低损耗和高模式质量的高斯型输出光斑。

2、探究了非线性相位匹配的局部与全局优化

研究者提出局部和全局扭转角优化策略，通过监测系统精确控制薄片方向，实现了高效相位匹配和增强SHG强度。

3、证实了全光纤非线性与量子器件的性能及稳定性

研究者基于相位匹配方法实现高效SHG和SPDC，产生纠缠光子对，展现光纤量子通信潜力。器件封装后稳定性卓越，耐受极端环境，强度长期稳定，且具有超宽工作带宽。

4、制造出了世界上首个全光纤倍频锁模激光器

作者将石墨烯和扭转rBN集成到光纤环形腔中，制造出首个全光纤倍频锁模激光器，实现了高效脉冲锁模和频率转换，为全光纤激光系统开发开辟新方向。

技术优势：

1、首次提出了扭转相位匹配策略

本研究首次在光纤端面利用垂直堆叠的扭转范德华晶体（rBN）突破了相位失配限制，实现了非线性信号的相长干涉增强。

2、实现了高性能全光纤集成器件

研究实现了高达4.1%的倍频转换效率和稳定的全光纤量子光源，并成功构建了基于石墨烯/rBN异质结构的全光纤倍频锁模激光器。

技术细节

光纤端面相位匹配设计方案

研究团队设计了一种将rBN单晶薄片夹在两根单模光纤端面之间的“三明治”结构。rBN晶体因其极高的非线性系数（c⁽²⁾≈30 pmV^-1）和高激光损伤阈值成为理想材料。然而，在非线性参数过程中，由于FW（基波）和SHG（二次谐波）之间的波矢失配，SHG强度会随传输长度呈现正弦振荡，其相干长度约为4.25 μm。为了克服这一限制，研究者引入了类似准相位匹配的概念，但通过实验直接生长或剥离精确厚度为Lc的晶体极具挑战。因此，团队开发了一种更通用的方案：通过堆叠具有任意厚度且扭转角可调的rBN薄片来重塑相位关系。由于rBN与光纤的折射率接近，这种集成方式不仅降低了光束发散带来的耦合损耗（总插入损耗仅约7%），还保证了高模式质量，实现了完美的高斯型输出光斑。

图  集成在光纤上的范德华晶体

非线性相位匹配的局部与全局优化

针对多层薄片的堆叠，研究者提出了两种扭转角优化策略。局部优化策略是序贯添加薄片，通过调整新加入薄片的旋转角q_q使当前的SHG强度最大化，理论证明0°或60°始终是这种增量式增强的最佳角度。相比之下，全局优化策略则是将所有薄片视为一个整体，通过搜索所有堆叠角度的最优组合来追求最终输出的最大化1416。在这种情况下，0°或60°不再是唯一的选择，而是会出现如(0°, 24°, 48°, 72°, 96°)这类复杂的非线性序列。实验结果表明，全局优化后的SHG强度甚至可以超过传统准相位匹配的效果。为了实现这一设计，团队搭建了一套原位转移监测系统，在旋转角度的同时实时监控信号强度，从而能够精确控制每层薄片的方向，确保了相位匹配设计的稳健性和高效性。

图  光纤集成扭曲范德华晶体的非线性相位匹配设计

全光纤非线性与量子器件的性能及稳定性

基于该相位匹配方法，研究者不仅实现了高效SHG，还成功演示了其逆过程——自发参量下转换（SPDC）。在405 nm激光激发下，该光纤集成器件产生了810 nm的纠缠光子对，其重合率随泵浦功率线性增加，展现了作为光纤量子通信网络光源的巨大潜力。在稳定性方面，该器件表现卓越：通过紫外固化树脂封装，rBN晶体得到了极好的保护，能够抵御氧化和潮解。实验验证，在50 m/s²的加速度、-20°C至90°C的温度波动以及100%的湿度环境下，SHG输出依然保持稳定，长期运行3周后的强度下降不到3%。此外，由于rBN的色散平坦且总厚度极薄，该器件展现了超过200 nm的超宽工作带宽，这显著优于传统极化光纤窄带宽（仅几纳米）的特性。

图  用于通过SPDC产生光子对的光纤上的集成扭转-rBN

图  集成在光纤上的扭转型rBN的倍频性能

基于异质结构的全光纤倍频脉冲激光器

最后，研究团队通过将石墨烯与扭转rBN组成的范德华异质结构集成到光纤环形腔中，制造出了世界上首个全光纤倍频锁模激光器。在这个系统中，石墨烯作为非线性饱和吸收体负责启动脉冲锁模逻辑（调制深度约3%），而rBN则作为非线性晶体负责腔内频率转换。该激光器能产生重复频率为14 MHz、脉冲宽度可压缩至约112 fs的高质量超快脉冲。随着泵浦功率增加，1560 nm的基波输出功率线性增长，而780 nm的倍频激光强度呈抛物线式上升。这种将锁模和二阶非线性过程集成在单个微型异质结构器件中的设计，解决了以往全光纤系统中难以兼顾脉冲生成与频率转换的难题，为开发高度集成、功能可调的全光纤激光系统开辟了新方向。

图  集成石墨烯/rBN异质结构的全光纤倍频脉冲激光器

展望

本研究成功在光纤端面构建了基于扭转相位匹配的范德华晶体集成平台，实现了高达4.1%的倍频效率和高效的量子光子对产生。该方案解决了传统材料与光纤兼容性差及非线性效率低的长期困扰，且在极端环境（高温、高湿、高加速度）下具有出色的稳定性。通过构建石墨烯-rBN异质结构，团队展示了全光纤倍频脉冲激光器，预示着未来在便携式量子通信网络、全光纤参量振荡器及复杂非线性光学器件领域的广泛应用前景。

参考文献：

Lin, K., Yao, G., Shao, J. et al. Nonlinear phase-matched van der Waals crystals integrated on optical fibres. Nat. Mater. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02461-x