近日，電子科技大學教授聶明明和合作者成功研發了多種創新性光子器件，同時揭示了鈮酸鋰晶體中的新特性與新機制。
圖 | 聶明明（來源：聶明明）
首先，他們研發了可重構布里淵激光器。利用鈮酸鋰晶體的雙折射熱光效應及交叉偏振布里淵散射效應（XP-SBS），實現了任意波長下可重構的布里淵激光相位匹配。該激光器可在 1540 - 1580nm 範圍內調諧，瞬時線寬低至 0.7 Hz，信噪比高達 48 dB，能為光學原子鐘、高精度陀螺儀等設備提供理想光源。
其次，他們研發了高效相干模式轉換器。藉助腔內布里淵增強的四波混頻，利用共偏振和交叉偏振布里淵效應，開發出偏振、橫模與縱模的多維高效轉換裝置。模式轉換效率達 55%，頻率調諧範圍超 27nm，可應用於光通信中的模式復用、全光信號處理等領域。
再次，他們研發了布里淵-二階激光及頻梳，利用交叉偏振布里淵效應與二階非線性的協同作用，首次實現了內腔布里淵激光泵浦的近紅外與可見光雙波段激光及頻率梳。二次諧波轉換效率達 12%，頻梳線寬僅 1 Hz 量級，為紫外至中紅外光譜範圍的微腔光頻梳開發奠定了基礎。
同時，他們還發現了一些新特性和新機制。
第一個是 XP-SBS 增益特性。他們揭示了鈮酸鋰晶體中的交叉偏振布里淵增益特性，發現強烈的 XP-SBS 增益主要由較大的非對角光彈係數決定，且該係數取決於晶體類型和取向。在 z 切面、沿 x 方向傳播的鈮酸鋰晶體中，XP-SBS 增益由較大的非對角光彈係數 (p41) 決定；當晶體取向變為 z 切面、沿 y 方向傳播時，非對角光彈係數 (p51) 變為零，無 XP-SBS 增益。
第二個是與二階非線性的耦合機制。他們展示了 XP-SBS 與二階非線性的高效耦合機制，通過抑制競爭性的級聯 SBS 過程，實現了 XP-SBS 與二階非線性之間的強耦合。還發現通過改變泵浦光的偏振狀態，可在布里淵-二階非線性激光器與頻率梳之間靈活切換。
簡單來說，研究團隊在一種叫「鈮酸鋰」的神奇晶體里，發現了一種操控光的特殊技巧（XP-SBS，交叉偏振受激布里淵散射），並用它造出了三樣厲害的光學「玩具」，還摸清了晶體的「新脾氣」。
（來源：Nature Photonics）
審稿人認為，本次研究拓展了受激布里淵散射效應的知識邊界，增加的偏振維度能夠啟發更多創新光子學器件及應用。
該成果在超窄線寬片上激光器、可調諧激光器、微波光子學、6G 通信、光學感測等領域具有應用潛力。比如，布里淵效應將移植到片上鈮酸鋰平台中，可實現超低功耗下的窄線寬激光器、可調諧窄帶微波濾波器（6G 通信用）。
在鈮酸鋰晶體中「激活」強 XP-SBS，並讓它與二階非線性「合作」
近一百年來，科學家們一直在研究受激布里淵散射（SBS，Stimulated Brillouin Scattering），這是一種光和物質內部振動的相互作用現象。SBS 有三個關鍵優勢：光的頻率變化範圍小、光的波長寬度極窄，以及對特定頻率光的放大能力強。這些特性讓它在很多領域大顯身手。
近幾年，人們想進一步提升 SBS 相關設備的性能，方法是給它「加自由度」，比如結合其他光的特性或非線性光學效應。其中，「交叉偏振 SBS」在光纖里已有觀測，但在「鈮酸鋰」這種晶體材料中的研究還很少。鈮酸鋰（LN，LiNbO3）是一種特殊材料，理論上它不僅具有更強的 XP-SBS 效應，還具有「二階非線性」，這意味著它能用更少的能量實現光的頻率轉換，比如生成頻率梳。
而本次研究的目的，旨在解決兩大關鍵問題。
第一，XP-SBS 在 LN 中夠不夠強？雖然 LN 理論上具有很強的 XP-SBS，但之前沒人驗證過它的強度是否足以支撐實際應用。如果強度夠，就能做出更靈活的高性能激光器和高效的模式轉換器。
第二，XP-SBS 和二階非線性能否「聯手」拓展應用？
二階非線性生成的「二階微梳」比傳統微梳更省電、波長範圍更廣，但如何讓它和 XP-SBS 結合，做出性能更強的「布里淵-二階激光器」和頻率梳？比如，其在近紅外和可見光波段同時工作，甚至通過改變光的偏振方向切換工作模式。
總的來說，本次研究就是要在 LN 晶體中「激活」強 XP-SBS，並讓它與二次非線性「合作」，解決現有設備在波長調諧性、轉換效率、光譜覆蓋範圍等方面的局限，為高精度激光、頻率梳生成和光信號處理等技術鋪路。
（來源：Nature Photonics）
鮮有研究反而激發求知慾
據介紹，本來這一課題的初衷是希望實現二階頻梳的產生，但是實驗過程中發現大範圍調節晶體溫度時，腔的透過率曲線會出現周期性擾動。於是，課題組停下來找原因並小心探索。結果發現在極小的溫度範圍內，在研究團隊的環形腔中可以產生反向激光，並且激光的偏振和波長都發生了變化：偏振變為正交，波長紅移了 0.2nm 左右。
聯想到他之前的微腔布里淵-克爾頻梳的工作 [1，2]，聶明明意識到腔內應該產生了受激布里淵激光。但是為什麼和晶體溫度有關？為什麼腔長不匹配也可以產生布里淵激光？於是，他和合作者開始探索其中的原理，並大膽猜想溫度調諧的可重構布里淵激光與熱光效應和交叉偏振布里淵效應有關。但是，可供參考的文獻非常少，僅發現了一篇與鈮酸鋰晶體布里淵效應有關的論文。
鈮酸鋰晶體作為光學屆的「硅」材料，蘊含著十分豐富的非線性現象，比如二階非線性、光折變、聲光、電光等等特性，但是其布里淵效應卻自其 1965 年被發明以來鮮有研究，這恰好激起了聶明明的求知慾。通過他和合作者的研究，鈮酸鋰晶體的同偏振和交叉偏振布里淵特性以及影響因素被揭示出來，並實現了較高功率的可重構布里淵激光輸出。受到光纖中布里淵增強四波混頻效應的啟發，利用不同偏振布里淵特性實現高效腔內模式轉換器。
接下來，聯想到他之前研究的布里淵-克爾頻梳的產生過程以及耕耘多年的二階頻梳的研究工作 [3]，自然而然地提出了布里淵-二階激光及頻梳的想法，並順利地開展了實驗研究。
（來源：Nature Photonics）
最終，相關論文以《交叉偏振受激布里淵散射驅動的光子學研究》（Cross-polarized stimulated Brillouin scattering-empowered photonics）為題發在 Nature Photonics[4]。電子科技大學聶明明教授為論文第一作者兼共同通訊作者，美國科羅拉多大學博爾德分校 Shu-Wei Huang 教授為論文共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Photonics）
據介紹，片上鈮酸鋰平台有望成為為數不多的具有強布里淵特性的片上平台。下一步，聶明明和團隊準備將更多基於布里淵效應的光子學器件移植到片上系統中，實現低功耗、緊湊尺寸的功能化器件。
參考資料：
1.Nie, M., Musgrave, J., Jia, K. et al. Turnkey photonic flywheel in a microresonator-filtered laser. Nat Commun 15, 55 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44314-8
2.Nie, M., Jia, K., Xie, Y. et al. Synthesized spatiotemporal mode-locking and photonic flywheel in multimode mesoresonators. Nat Commun 13, 6395 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-34103-0
3.Nie, M., Xie, Y., Li B. et al. Photonic frequency microcombs based on dissipative Kerr and quadratic cavity solitons. Progress in Quantum Electronics 86 (2022): 100437. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2022.100437
4.Nie, M., Musgrave, J. & Huang, SW. Cross-polarized stimulated Brillouin scattering-empowered photonics. Nat. Photon. 19, 585–592 (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01680-7
運營/排版：何晨龍
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