近日，电子科技大学教授聂明明和合作者成功研发了多种创新性光子器件，同时揭示了铌酸锂晶体中的新特性与新机制。
图 | 聂明明（来源：聂明明）
首先，他们研发了可重构布里渊激光器。利用铌酸锂晶体的双折射热光效应及交叉偏振布里渊散射效应（XP-SBS），实现了任意波长下可重构的布里渊激光相位匹配。该激光器可在 1540 - 1580nm 范围内调谐，瞬时线宽低至 0.7 Hz，信噪比高达 48 dB，能为光学原子钟、高精度陀螺仪等设备提供理想光源。
其次，他们研发了高效相干模式转换器。借助腔内布里渊增强的四波混频，利用共偏振和交叉偏振布里渊效应，开发出偏振、横模与纵模的多维高效转换装置。模式转换效率达 55%，频率调谐范围超 27nm，可应用于光通信中的模式复用、全光信号处理等领域。
再次，他们研发了布里渊-二阶激光及频梳，利用交叉偏振布里渊效应与二阶非线性的协同作用，首次实现了内腔布里渊激光泵浦的近红外与可见光双波段激光及频率梳。二次谐波转换效率达 12%，频梳线宽仅 1 Hz 量级，为紫外至中红外光谱范围的微腔光频梳开发奠定了基础。
同时，他们还发现了一些新特性和新机制。
第一个是 XP-SBS 增益特性。他们揭示了铌酸锂晶体中的交叉偏振布里渊增益特性，发现强烈的 XP-SBS 增益主要由较大的非对角光弹系数决定，且该系数取决于晶体类型和取向。在 z 切面、沿 x 方向传播的铌酸锂晶体中，XP-SBS 增益由较大的非对角光弹系数 (p41) 决定；当晶体取向变为 z 切面、沿 y 方向传播时，非对角光弹系数 (p51) 变为零，无 XP-SBS 增益。
第二个是与二阶非线性的耦合机制。他们展示了 XP-SBS 与二阶非线性的高效耦合机制，通过抑制竞争性的级联 SBS 过程，实现了 XP-SBS 与二阶非线性之间的强耦合。还发现通过改变泵浦光的偏振状态，可在布里渊-二阶非线性激光器与频率梳之间灵活切换。
简单来说，研究团队在一种叫“铌酸锂”的神奇晶体里，发现了一种操控光的特殊技巧（XP-SBS，交叉偏振受激布里渊散射），并用它造出了三样厉害的光学“玩具”，还摸清了晶体的“新脾气”。
（来源：Nature Photonics）
审稿人认为，本次研究拓展了受激布里渊散射效应的知识边界，增加的偏振维度能够启发更多创新光子学器件及应用。
该成果在超窄线宽片上激光器、可调谐激光器、微波光子学、6G 通信、光学传感等领域具有应用潜力。比如，布里渊效应将移植到片上铌酸锂平台中，可实现超低功耗下的窄线宽激光器、可调谐窄带微波滤波器（6G 通信用）。
在铌酸锂晶体中“激活”强 XP-SBS，并让它与二阶非线性“合作”
近一百年来，科学家们一直在研究受激布里渊散射（SBS，Stimulated Brillouin Scattering），这是一种光和物质内部振动的相互作用现象。SBS 有三个关键优势：光的频率变化范围小、光的波长宽度极窄，以及对特定频率光的放大能力强。这些特性让它在很多领域大显身手。
近几年，人们想进一步提升 SBS 相关设备的性能，方法是给它“加自由度”，比如结合其他光的特性或非线性光学效应。其中，“交叉偏振 SBS”在光纤里已有观测，但在“铌酸锂”这种晶体材料中的研究还很少。铌酸锂（LN，LiNbO3）是一种特殊材料，理论上它不仅具有更强的 XP-SBS 效应，还具有“二阶非线性”，这意味着它能用更少的能量实现光的频率转换，比如生成频率梳。
而本次研究的目的，旨在解决两大关键问题。
第一，XP-SBS 在 LN 中够不够强？虽然 LN 理论上具有很强的 XP-SBS，但之前没人验证过它的强度是否足以支撑实际应用。如果强度够，就能做出更灵活的高性能激光器和高效的模式转换器。
第二，XP-SBS 和二阶非线性能否“联手”拓展应用？
二阶非线性生成的“二阶微梳”比传统微梳更省电、波长范围更广，但如何让它和 XP-SBS 结合，做出性能更强的“布里渊-二阶激光器”和频率梳？比如，其在近红外和可见光波段同时工作，甚至通过改变光的偏振方向切换工作模式。
总的来说，本次研究就是要在 LN 晶体中“激活”强 XP-SBS，并让它与二次非线性“合作”，解决现有设备在波长调谐性、转换效率、光谱覆盖范围等方面的局限，为高精度激光、频率梳生成和光信号处理等技术铺路。
（来源：Nature Photonics）
鲜有研究反而激发求知欲
据介绍，本来这一课题的初衷是希望实现二阶频梳的产生，但是实验过程中发现大范围调节晶体温度时，腔的透过率曲线会出现周期性扰动。于是，课题组停下来找原因并小心探索。结果发现在极小的温度范围内，在研究团队的环形腔中可以产生反向激光，并且激光的偏振和波长都发生了变化：偏振变为正交，波长红移了 0.2nm 左右。
联想到他之前的微腔布里渊-克尔频梳的工作 [1，2]，聂明明意识到腔内应该产生了受激布里渊激光。但是为什么和晶体温度有关？为什么腔长不匹配也可以产生布里渊激光？于是，他和合作者开始探索其中的原理，并大胆猜想温度调谐的可重构布里渊激光与热光效应和交叉偏振布里渊效应有关。但是，可供参考的文献非常少，仅发现了一篇与铌酸锂晶体布里渊效应有关的论文。
铌酸锂晶体作为光学届的“硅”材料，蕴含着十分丰富的非线性现象，比如二阶非线性、光折变、声光、电光等等特性，但是其布里渊效应却自其 1965 年被发明以来鲜有研究，这恰好激起了聂明明的求知欲。通过他和合作者的研究，铌酸锂晶体的同偏振和交叉偏振布里渊特性以及影响因素被揭示出来，并实现了较高功率的可重构布里渊激光输出。受到光纤中布里渊增强四波混频效应的启发，利用不同偏振布里渊特性实现高效腔内模式转换器。
接下来，联想到他之前研究的布里渊-克尔频梳的产生过程以及耕耘多年的二阶频梳的研究工作 [3]，自然而然地提出了布里渊-二阶激光及频梳的想法，并顺利地开展了实验研究。
（来源：Nature Photonics）
最终，相关论文以《交叉偏振受激布里渊散射驱动的光子学研究》（Cross-polarized stimulated Brillouin scattering-empowered photonics）为题发在 Nature Photonics[4]。电子科技大学聂明明教授为论文第一作者兼共同通讯作者，美国科罗拉多大学博尔德分校 Shu-Wei Huang 教授为论文共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Photonics）
据介绍，片上铌酸锂平台有望成为为数不多的具有强布里渊特性的片上平台。下一步，聂明明和团队准备将更多基于布里渊效应的光子学器件移植到片上系统中，实现低功耗、紧凑尺寸的功能化器件。
参考资料：
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
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