可编程液芯光纤：基于计算优化的色散调控实现超快超连续谱的实时重构

研究人员针对光子技术领域对可重构光源的迫切需求，创新性地提出可编程液芯光纤(pLCF)平台，通过粒子群优化算法(PSO)调控温度敏感的TM01模式色散，实现了超连续谱(SCG)在多个光谱区间的功率动态重分配。该研究在7.2cm光纤上获得最高153倍的功率增强因子，为光谱学、量子计算等领域提供了新型可编程光源解决方案。

　　

在光子学技术飞速发展的今天，如何实现光谱特性的动态调控成为制约众多前沿应用的瓶颈问题。传统超连续谱(Supercontinuum Generation, SCG)光源虽然能产生超宽光谱，但其色散特性一旦制备完成便无法改变，这严重限制了在光谱学、量子计算等需要实时光谱调谐场景中的应用。更棘手的是，现有通过机械变形或声光效应实现的色散调控方法，要么空间分辨率不足，要么调谐范围有限。面对这些挑战，德国莱布尼茨光子技术研究所的Johannes Hofmann团队另辟蹊径，将目光投向了具有独特热光特性的液芯光纤(Liquid-Core Fibers, LCFs)。

这项发表在《Nature Communications》的研究，创新性地将碳二硫化(CS₂)填充的液芯光纤与人工智能算法相结合，构建出全球首个可编程液芯光纤(programmable LCF, pLCF)平台。该系统的核心突破在于利用CS₂高达1.5×10^-4 K^-1的热光系数，通过24个独立控温的帕尔贴元件(Peltier elements)在7.2cm光纤上建立动态色散景观。配合粒子群优化(Particle Swarm Optimization, PSO)算法，形成了"测量-计算-调控"的闭环控制系统，实现了对超连续谱特性的实时编程控制。

研究团队主要采用三项关键技术：首先通过有限元模拟优化TM₀₁高阶模式的温度敏感性；其次建立包含热致色散变化的广义非线性薛定谔方程(GNLSE)仿真模型；最后开发了基于Arduino Mega的温控系统，配合光学频谱分析仪(Yokogawa AQ6375)实现自动化反馈。实验采用3.92μm芯径CS₂液芯光纤，输入1560nm、30fs的超短脉冲，通过s波板实现TM₀₁模式高效耦合。

计算优化的非线性频率转换

通过对比固定色散与优化色散下的脉冲演化模拟，研究发现阶梯式变化的零色散波长(ZDW)可诱导级联色散波(Dispersive Wave, DW)发射等复杂非线性效应。当设定1300nm和2200nm双目标波段优化时，系统在保持-0.05功率对比度下，实现了平均59倍的功率增强，其中2200nm波段提升高达96倍。这种非直观的色散调控效果，验证了算法优化在复杂非线性系统中的不可替代性。

光谱平坦化突破

针对光谱学应用特别关注的平坦度需求，研究团队设计了基于相对标准偏差的目标函数。在2100nm波段优化实验中，将平坦度参数F从初始的0.987降至0.036，成功消除了2.45μm处固有的色散波峰。值得注意的是，这种平坦化过程同时伴随着平均功率的提升，打破了传统SCG中平坦度与功率此消彼长的限制。

实验验证与系统鲁棒性

在实验验证环节，研究展示了四种典型场景的优化效果：1.9μm/1.95μm双波段优化获得78.5倍功率提升；1.3μm波段平坦化使F值从2.38降至0.57。热成像显示，最优温度分布呈现高度非均匀特征，证实了传统试错法难以实现等效调控。系统在连续7天实验中保持稳定，耦合效率波动小于5%，展现出良好的工程实用性。

这项研究的创新价值不仅在于技术突破，更开创了"算法定义光纤"的新范式。通过将人工智能与特种光纤深度融合，首次实现了对孤子分裂、色散波发射等非线性过程的时空精密调控。相比传统脉冲整形方法，该平台将调控维度从时域拓展到空域，为光学频率梳、光子神经网络等前沿方向提供了新工具。研究团队已就核心技术提交德国专利申请，其揭示的热致色散调控机制，对硅基光子器件、混合波导系统等也具有重要借鉴意义。正如论文通讯作者Markus A. Schmidt强调的，这项研究"为非线性光子系统的可编程控制开辟了新途径"，其影响或将超越超连续谱生成本身，推动整个自适应光学系统的发展。