Zn-MOF与Nb?CT·x/Co?O?涂层在侧抛光光纤上的性能比较：用于增强1.5 μm波长的四波混频效果

四波混频在1.5μm侧抛光光纤中通过Zn-MOF和Nb2CTx/Co3O4纳米复合材料功能化实现显著增强，实验采用双连续波激光源和EDFA系统，测得转换效率提升达16%，且60分钟稳定性测试验证了材料涂层的可靠性能，为紧凑型非线性光子器件开发提供新思路。

　　

H. Ahmad|I.A. Zuzamri|M.A.M. Lutfi|M.K.A. Zaini|Z. Mahmoodin|N. Yusoff|M.F. Ismail|K. Thambiratnam|Mousa Hussein

马来西亚马来亚大学光子学研究中心，吉隆坡50603

摘要

本研究探讨了通过在1.5微米电信波段工作的侧抛光光纤（SPFs）上沉积基于锌的金属有机框架（Zn-MOF）和钴氧化物纳米复合材料（Nb₂CT_x/Co₃O₄）来增强四波混频（FWM）过程。侧抛光技术为强烈的衰减场相互作用提供了平台，显著提高了局部光强度，从而在紧凑的设备尺寸内增强了非线性响应。实验设置使用了两个可调谐的连续波激光源作为泵浦和信号输入，这些信号经过掺铒光纤放大器（EDFA）放大后输入到侧抛光光纤（SPF）中。在抛光光纤表面沉积Zn-MOF和Nb₂CT_x/Co₃O₄复合材料后，非线性性能得到了显著提升，与未涂层的光纤相比，转换效率提高了多达16.0%。60分钟的稳定性测试证实了FWM闲频信号的稳定生成。这些发现强调了先进材料功能化SPFs作为传统电信波段全光信号处理高效、紧凑非线性平台的潜力。

引言

在波导中观察到的各种非线性光学现象中，四波混频（FWM）作为一种特别重要的三阶过程，对现代光子技术具有深远的影响。从根本上说，FWM源于材料的克尔非线性，表现为强度依赖的折射率，它介导了共传播光波之间的能量转移[1]。这一过程涉及两个或多个光子的相互作用，导致泵浦光子和信号光子的湮灭，并在闲频处产生新的光子。这种机制满足了能量守恒和相位匹配条件，从而实现最佳效率[2]。FWM的性能受多个相互依赖的因素影响，包括介质的非线性系数（γ）、光功率密度、相互作用长度以及相位匹配带宽，后者受到波导色散特性的关键影响[1]。

其中，相位匹配起着至关重要的作用，因为它直接决定了FWM的效率和波长调谐范围。有效的相位匹配需要最小化相互作用光波之间的净相位差[1]，[3]。当强度依赖的非线性相位移动抵消了由色散引起的固有线性相位不匹配时，就可以满足这一条件。此外，通过对光学平台施加先进的材料涂层，可以增强系统的非线性特性并精确调整其色散特性。这种集成方法能够在较宽的波长范围内实现有效的相位匹配[4]，从而在宽操作频谱上实现高效的光波长转换。

FWM的技术重要性涵盖了光子学的多个领域。在光通信中，它实现了全光波长转换，这对于密集波分复用（DWDM）系统至关重要，便于灵活管理带宽而无需电子瓶颈[2]。除了电信领域，FWM还是量子光学中生成纠缠光子对的基本工具，在非线性光谱学中用于生成频率梳，在光传感中通过非线性放大实现[3]，[5]。能够在光学域内完全创建新频率和放大信号的能力提供了传统电子方法无法实现的操作带宽和处理速度。

传统的FWM增强方法通常使用具有特殊工程核心的高非线性光纤（HNLFs），这些光纤提供增强的非线性系数。虽然有效，但这些光纤需要相当长的长度（通常超过100米）才能实现显著的非线性相互作用，这从根本上限制了它们在紧凑、集成光子系统中的应用[6]。侧抛光光纤（SPFs）提供了一个创新的替代平台，解决了这一限制，同时保持了强大的非线性性能。侧抛光过程在光纤表面创建了一个精确控制的平坦区域，使得引导模式的衰减场可以访问[7]。这种配置有两个显著优势：首先，它通过集中光模式显著增强了相互作用区域内的光强度；其次，它直接提供了与沉积在抛光表面的非线性材料相互作用的电磁场。与传统HNLFs相比，SPFs可以在减小设备尺寸的同时实现可比的非线性增强因子，通常只需几厘米的相互作用长度，而不是几百米。

通过使用具有高三阶非线性易感性（χ³）的材料进行功能化，可以显著提高SPFs的非线性性能。二维（2D）和纳米结构材料在这方面表现出极大的潜力，因为它们具有独特的电子特性、极高的表面积与体积比以及在原子尺度上的强光-物质相互作用[8]。当这些材料沉积在SPF的抛光区域时，它们与增强的衰减场强烈相互作用，有效地作为非线性光学放大器，显著提高了FWM转换效率，而不影响设备的紧凑性[9]。

本研究探索了两种不同先进材料在FWM增强中的应用：基于锌的金属有机框架（Zn-MOF）和钴氧化物纳米复合材料（Nb₂CT_x/Co₃O₄）。Zn-MOF是一类结晶多孔材料，其特征是金属离子与有机连接剂配位，形成具有极高表面积和可调光学特性的结构[10]。通过仔细选择金属中心和有机配体，可以设计出具有显著χ³非线性的框架结构。Nb₂CT_x/Co₃O₄是一种具有尖晶石结构的过渡金属氧化物，具有出色的热稳定性和化学稳定性，以及由其独特电子配置衍生的强非线性光学响应[11]。当沉积在SPF平台上时，这两种材料都预期会通过与增强衰减场的强非线性相互作用显著提高FWM效率。

使用Zn-MOF和Nb₂CT_x/Co₃O₄进行非线性增强的优势是多方面的。这两种材料都提供了高的理论非线性系数，与光纤集成过程的兼容性，以及通过结构工程实现的可调光学特性。Zn-MOF由于其丰富的有机连接剂和金属中心库，提供了出色的设计灵活性，能够精确优化非线性光学响应[12]。Nb₂CT_x/Co₃O₄具有显著的环境稳定性和耐热性，确保在操作条件下的性能一致性[13]。然而，这些材料也有一定的局限性需要考虑。Zn-MOF在高光功率密度下可能会面临有机组分的长期稳定性挑战。虽然Nb₂CT_x/Co₃O₄在化学上很稳定，但可能会引入较高的线性吸收损耗，这可能会抵消部分非线性增强的好处。这两种材料都需要优化的沉积技术，以确保均匀覆盖和与光纤表面的牢固粘附。

这项研究的意义在于其对1.5微米电信波段中先进材料增强SPFs进行全面研究。虽然之前的研究已经在各种平台上探索了FWM，包括锥形光纤和传统HNLFs，也有一些关于石墨烯和过渡金属硫属化物等2D材料的工作，但在这种战略重要波长下，MOF和金属氧化物材料与SPF平台的特定组合仍然很大程度上未被探索[13–15]。这项工作系统地评估和比较了通过Zn-MOF和Nb₂CT_x/Co₃O₄功能化实现的FWM性能增强，为开发紧凑、高效的非线性光子设备提供了宝贵的见解。这些发现推动了下一代光通信系统和集成光子电路所需的全光信号处理技术的发展。

本工作展示了在1.5微米侧抛光光纤中的FWM。通过在侧抛光光纤上沉积Zn-MOF和Nb₂CT_x/Co₃O₄来增强非线性光学效应，并将结果与使用HNLF作为非线性介质的性能进行了比较。实验设置使用了两个可调谐的连续波激光源，这些激光源通过掺铒光纤放大器（EDFA）放大。研究了HNLF和侧抛光光纤的效果，并与纳米材料Zn-MOF和Nb₂CT_x/Co₃O₄的效果进行了比较，重点关注FWM转换效率和稳定性。

章节片段

基于锌的金属有机框架（Zn-MOF）的合成与表征

通过溶热反应制备了Zn-MOF，使用4-氨基吡啶作为有机配体，六水合硝酸锌作为金属源。在典型的程序中，0.3克4-氨基吡啶溶解在1毫升六水合硝酸锌溶液（1 M）、10毫升乙醇（95%）和10毫升去离子水中。该混合物在室温下磁力搅拌30分钟以达到均匀性。然后将此溶液密封在50毫升特氟龙内衬的不锈钢容器中

在侧抛光光纤上沉积Zn-MOF和Nb₂CT_x/Co₃O₄

通过衰减场在光纤中成功增强非线性效应在很大程度上取决于侧抛光过程的质量以及随后功能材料涂层的均匀性和粘附性。本节详细介绍了用于创建SPF平台并沉积Zn-MOF和Nb₂CT_x/Co₃O₄薄膜的精细制造方法。从Phoenix Photonics购买的SPF具有1.7厘米的抛光长度和1微米的抛光高度

结果与讨论

使用两种不同的平台成功生成并表征了四波混频过程：传统的HNLF和用先进纳米材料（Zn-MOF和Nb₂CT_x/Co₃O₄）功能化的紧凑SPF。泵浦（λ₁）和信号（λ₂）波长分别设置为1549.9纳米和1551.9纳米，间距为2纳米以优化相位匹配条件。这种相互作用产生了新的闲频。

在这些平台上实现宽调谐范围内的高效FWM

结论

本研究成功地证明了通过在1.5微米电信波段工作的侧抛光光纤（SPFs）上沉积Zn-MOF和Nb₂CT_x/Co₃O₄复合材料，显著增强了四波混频（FWM）过程。这项工作的主要贡献在于系统地评估了这些先进材料，与更传统的二维材料相比，这些材料在这一领域尚未得到充分探索

CRediT作者贡献声明

H. Ahmad：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源准备。I.A. Zuzamri：撰写 – 原稿撰写、方法论、研究、形式分析。M.A.M. Lutfi：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、研究、形式分析。M.K.A. Zaini：撰写 – 审稿与编辑、验证、研究、形式分析。Z. Mahmoodin：资源准备、项目管理、资金获取、数据管理。N. Yusoff：撰写 – 审稿与编辑、方法论，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢马来亚大学在<-->RU001-2025A项目下的资助，以及阿拉伯联合酋长国通过<-->12 N144研究基金提供的财政支持。