非線性頻率轉(zhuǎn)換是在任意波長(zhǎng)下操作高功率脈沖激光系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生物成像、海底通信等領(lǐng)域。人們對(duì)類(lèi)似光纖這種基于導(dǎo)波且穩(wěn)定有效的方案非常有興趣，然而前提是需要保持光纖中的動(dòng)量或相位匹配。

多模光纖具有檢查導(dǎo)模之間非線性相互作用的能力，即對(duì)多模進(jìn)行各種可能的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)相位匹配。然而在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，典型的多模四波混頻相互作用僅能夠在非常窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配，這導(dǎo)致窄帶非線性增益難以實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換效率低，以及很難在光譜和時(shí)間上對(duì)轉(zhuǎn)換光脈沖進(jìn)行調(diào)制。

為了解決這一難題，由美國(guó)波士頓大學(xué)納米結(jié)構(gòu)光纖和非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Siddharth Ramachandran教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)證明，除了相位匹配之外，調(diào)制相對(duì)模間群速度是增加非線性增益帶寬的關(guān)鍵。他們著重介紹了一種模間四波混頻過(guò)程，以LP0,4和LP0,5模式疊加狀態(tài)導(dǎo)入的抽運(yùn)脈沖分別轉(zhuǎn)換為兩個(gè)群速度匹配的脈沖，一個(gè)波長(zhǎng)小于抽運(yùn)脈沖，一個(gè)波長(zhǎng)大于抽運(yùn)脈沖。通過(guò)匹配這些輸出脈沖的群速度，相位匹配帶寬比典型的模間過(guò)程大了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，導(dǎo)致寬帶增益區(qū)域相隔幾乎一個(gè)倍頻程（63 nm以1553 nm為中心，17 nm以791 nm為中心）。通過(guò)這一過(guò)程，研究人員展示了普遍存在的鈦藍(lán)寶石激光器的高效、準(zhǔn)連續(xù)、高功率和波長(zhǎng)可調(diào)諧全光纖模擬。這項(xiàng)工作發(fā)表在Photonics Research 2019年第7卷第1期上(Jeff Demas, et al., Intermodal group-velocity engineering for broadband nonlinear optics )。

總的來(lái)說(shuō)，這些結(jié)果代表了一個(gè)新的參數(shù)空間，可以在其中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于光子晶體光纖中群速度色散工程的模間參數(shù)非線性。未來(lái)的工作將著眼于探索利用這些多模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈活性在傳統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特定波段，并在研究這些系統(tǒng)中的帶寬和群速度匹配的過(guò)程中探索基于光纖的超快脈沖四波混頻。

多模四波混頻示意圖：在LP0,4和LP0,5模式疊加的情況下引導(dǎo)強(qiáng)抽運(yùn)脈沖（綠色）轉(zhuǎn)換為寬帶反斯托克斯脈沖（藍(lán)色）和斯托克斯脈沖（紅色）。