北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所刘开辉教授、洪浩副研究员，芬兰阿尔托大学孙志培教授与合作者在光纤集成光学晶体领域取得重要进展。研究团队首次提出面向光纤端面集成架构的范德华材料相位匹配理论，在全光纤体系实现了高效的二次谐波产生（SHG）与自发参量下转换（SPDC），并构建了全光纤锁模倍频激光器。2026年1月13日，该项研究成果以“光纤集成非线性相位匹配范德华晶体”（Nonlinear phase-matched van der Waals crystals integrated on optical fibres）为题，发表于《自然·材料》（Nature Materials）。
全光纤光学系统具有优异光束质量、低传输损耗、超高稳定性和紧凑集成特性，是现代光学技术前沿和产业应用的重要平台。当前，基于全光纤体系的激光产生、光放大和锁模等技术已趋于完善。然而，由于传统光纤材料本身二阶非线性光学响应极弱，全光纤频率转换、SPDC量子光源以及电光调制等激光技术核心功能的实现仍面临挑战。如何在保持光纤体系优异特性的同时赋予其强二阶非线性响应，是现代光纤激光技术的前沿方向。
研究团队创新提出并实现了光纤端面范德华晶体集成的非线性光学晶体。通过在光纤端面精确堆垛多层菱方氮化硼（rBN）晶体，利用界面转角调控几何相位，发展了一种适用于线偏振光激发条件下的多层转角相位匹配机制。该方法规避了传统晶体厚度引起的模式失配问题，并突破了传统相位匹配理论在光纤集成中的兼容性限制，从而在十微米尺度内实现了高达4.1%的SHG转换效率以及90 Hz的SPDC二阶符合计数率。在此基础上，研究团队进一步利用光纤集成石墨烯/菱方氮化硼异质结复合器件，成功研制出全光纤锁模倍频激光器，同时实现锁模脉冲和倍频信号的输出。
图1光纤集成非线性转角相位匹配光学晶体及全光纤倍频锁模激光器
该工作提出并研发了光纤集成非线性相位匹配范德华晶体，为在全光纤体系中实现高效二阶光学非线性提供了新的设计平台和理论模型。相关成果有望推动光纤参量振荡器、全光纤量子通信节点及高集成非线性光子器件的发展。
北京大学前沿交叉学科研究院2022级博士生林凯风、2023级博士生邵嘉惠，北京大学物理学院博士后姚光杰、2021级博士生尤一龙为论文共同第一作者；刘开辉、洪浩与孙志培为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家重大科研仪器研制项目、国家重点研发计划、腾讯基金会科学探索奖等相关项目及北京大学人工微结构和介观物理全国重点实验室与北京大学轻元素量子材料交叉平台等的大力支持。
论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02461-x
