“追光” 六载破解行业难题西工大团队研发光波长转换器件赋能 “新基建” -华文新媒体评选系统

“追光” 六载破解行业难题西工大团队研发光波长转换器件赋能 “新基建”

作者：王翠萍编辑：贾愫版面：第02版发布时间：2020-05-30 00:00:00 浏览：952582 字数：2746 所在版面图

　　今年4月，我校物理科学与技术学院赵建林教授研究团队在全光纤光波长转换方面取得重要进展。提出了一种二维材料辅助的全光纤波长转换方案，利用该方案制备的波长转换器，仅需百微瓦量级光功率（远小于一支普通激光笔的输出光功率）即可将近红外光稳定地转换为可见光。

　　该技术在全光纤中实现光波长的高效转换，兼容现有成熟的光纤通信和传感系统，也为其他高性能全光纤非线性器件的实现开辟了新的途径。

六年钻研破解“光子”时代的世界难题

光纤，是我们生活中“最熟悉的陌生人”，有了光纤才有了遍布城乡连接中外的高速互联网、高清数字电视、5G移动通信。你虽看不到它，它却无处不在。
　　从1970年美国制造出世界上第一根可用于光通信的光纤，半个世纪以来，相关领域专家始终朝着“超大容量、超长距离、超高速率”光通信技术前沿不断探索。如果能够将某种波长的光在光纤中传输后直接变成另一种波长，将可以有效提高光纤传递和感知信息的效率。但光波波长转换是一种非线性光学过程，一般需要高功率激光和精密的光学参数配合，转换条件非常苛刻。如何降低光纤中波长转换的实现条件，就成为了困扰科学家们的一个难题。
　　赵建林教授研究团队创造性地提出在一段直径为微米量级的光纤上沉积二维层状材料硒化镓，利用微光纤的强烈倏逝波与硒化镓二维材料相耦合，借助硒化镓的二阶非线性效应（非线性系数比传统二阶非线性光学介质高2个数量级），实现了在全光纤中光波长转换的有效控制，极大提高了光波长转换效率，降低了转换能耗。
　　相关研究成果在线发表于国际光学顶尖期刊《光：科学与应用》（Light: Sci?ence & Applications）。论文第一作者为团队姜碧强副教授，通讯作者为甘雪涛及赵建林教授。“将一根光纤的一部分变细为原来的约百分之一，让光波沿着光纤外壁传输，而光纤外壁上裹覆有能将通信波段光转换为可见光的材料，让变色后的光波仍然可以在光纤中继续传输。这样，就构成了一个非常简单且高效的光波长转换器件。”姜碧强介绍到，“简单地理解，光纤中的光波长转换器件，就好比电网中的变电站，通过对光信息分级处理，让光网络更加灵活且扩容。”
　　经该技术处理的光纤，可直接接入通用的光纤通信和传感系统中，且仅需百微瓦量级光功率（远小于一支普通激光笔的光功率）即可将近红外光稳定地转换为可见光，在丰富感知光源的同时，有效地提高光纤利用率，也为开发其他高性能全光纤非线性光信息处理器件提供了新的思路。

　　做研究向来不是一时一事之功，肯花大力气、持之以恒地推进，这群“追光的人”做到了。“为了这一瞬的光，我们团队整整探索了6年。”赵建林凝视着那道微弱的红光感慨地说道。

“小学科”里做出一流成绩

光学是一门古老而又活跃的学科，21世纪是“光子时代”，因此光学仍将是自然科学领域中一个极为热门的学科。
　　自上世纪80年代，西北工业大学就开始招收光学专业研究生，但当时学校没有相应的学位授予权，因此，作为学校首批该专业在职硕士研究生，赵建林等人只得跨专业申请其他专业的硕士学位。如今经过20多年的努力，学校光学学科的发展驶入快车道。
　　1993年，留校任教的赵建林第一次出国学习归来后，他就告诉自己，“我是学光学的，还是得做光学。”回国后，西工大给了他10万元学科建设经费，还给予了一系列的支持，这让赵建林觉得“学校是个好平台，我得好好干”。

　　近年来，近年来他在光学及光学工程领域教学、科研及学科建设工作中取得了优异成绩。2014年，赵建林教授研究团队决定开展对全光纤光波长转换相关研究，随后在国家自然基金项目的支持下，团队开始了实验尝试。自主设计小型实验装置，搭建完成整套光的产生、调制、感知与测量系统，将石墨烯裹覆到光学微结构上实现光的滤波、调制、开关、光速的控制等[Optica 2: 468 (2015); Optics Let?ters 41: 3 603 (2016); Optics Letters 41:5450 (2016); Applied Physics Letters108: 171905 (2016)]，团队针对无法在光波长的转换中取得突破这一难题，借助光谱测量、纳米加工等技术手段持续优化材料体系和器件，从一次次的实验失败到一个个理论、技术、制备方法的突破……一路走来，半是风景、半是艰辛。

　　科研不仅是知识、经验的积淀，也是科学家个人成长和科学精神的传承。

　　光场调控及应用是当前国际光学与光子学领域的一个研究热点，也是国家自然科学基金委重大项目和科技部量子调控领域重大科学研究计划项目重点支持的研究内容之一。“你看，普通的一束激光打上去，你在幕布上看到的是一块圆形光斑。经过特殊的光场调控，你看到的就不再是简单圆形光斑，可能就是环状或者其他形状……”讲起专业，赵建林充满无限热情。
　　尽管自诩是学校“小学科”，但在数字全息术、光场调控、微纳光子学等方向以及光学人才培养方面，赵建林和团队都做出了一流的成绩。从无到有、由小到大、由弱到强，这是西工大光学学科走过的奋斗历程。
孜孜以求为人才培养和国家需要提供新动能作为学科带头人和省级教学名师与教学团队负责人，赵建林老师仍然坚持在讲台上，讲授本科生和研究生课程，就是希望做出示范，“教学本身不是负担，而是原动力”。“既然选择探索未知，那未知就是未知，如果有一天能够在前人的指引下捡到‘未知之海’ 边上的 ‘一颗彩色石子’，就很值得庆幸了。”赵建林认为，科研成果的形成不仅需要研究者自己坐得住、学的实、走得出，还需要整个团队的共同协作、接续奋斗。所以，对于青年教师和研究生的培养，他从不放松。
多年来，团队围绕数字全息术、光场调控、微纳光子学、光纤传感技术等领域开展科学研究及人才培养，在完成国家自然科学基金重点项目、国家重大科学仪器研制项目、重大研究计划项目以及国家重点研发计划等课题的同时，培养出近10位博士生导师、1位国家优秀青年科学基金获得者、1位全国百篇优博提名奖获得者、1位“玛丽居里”学者、5位陕西省优博获得者、2位王大珩高校学生光学奖获得者等。在国内外重要学术期刊上发表了一系列高水平论文，产出了众多科研成果。这些崭露头角的青年学者也必将奔着“光联万物”之梦，努力与国际前沿并跑。
　　在全光纤中实现光波长的高效转换，可为光纤激光器等拓展新波段光源，并且兼容现有庞大成熟的光纤通信和传感系统，在全光纤的信号处理与感知领域具有非常广泛的应用前景。
　　今年的政府工作报告中明确提出要加大新型基础设施建设，实施扩大内需战略。可见，以新一代信息技术为核心的“新基建”已成为我国经济发展的新动能。例如，5G超密集组网的网络建设，包括宏站、数字化室分及小微基站，将带来巨量的光纤资源消耗。光纤，正在通过创新带来更多的机遇，瞄向更新的未来。“假舆马者，非利足也，而致千里。”光学给予我们记录自然和重现自然世界的能力，让人类拥有更强大的科学利器和更宽阔的科学视野，促使人类对自然世界看得更全、看得更清、看得更准。“我们的研究会继续瞄准国家发展的重大需要，产出更多创新成果，我也会继续做好年轻老师的 ‘路’ 和 ‘桥’，相信有朝一日我们团队也能出现新一代信息技术领域的引领者。”赵建林笑着说。
（文/记者王翠萍图/刘新科）