超高非線性二維材料復(fù)合光纖制造取得新進(jìn)展

劉益春

東北師范大學(xué)物理學(xué)院，長春 130024

非線性光纖在光通訊、光傳感、光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換、超快光纖激光器、光頻梳及超連續(xù)激光等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用前景1–5。然而，目前絕大多數(shù)光纖器件都是基于傳統(tǒng)的石英光纖，這些光纖僅具有微弱的三階非線性效應(yīng)以及接近于零的二階非線性效應(yīng)，嚴(yán)重限制了它在非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。目前，提高光纖非線性效應(yīng)的方法主要分為兩大類：(1)通過優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小光纖的有效纖芯面積，進(jìn)而提高光纖非線性6–8。(2)通過對(duì)傳統(tǒng)石英纖芯進(jìn)行摻雜(如硫化物等)或者直接生長非石英纖芯(如硅、鍺等)來提高光纖非線性效應(yīng)9–11。但這兩種方法對(duì)提升光纖非線性效果有限，且不易規(guī)?；a(chǎn)。因此，開發(fā)新型高非線性光纖勢在必行。

近年來，二維材料由于其優(yōu)異的光電特性、超高非線性系數(shù)和原子層厚度，迅速掀起了與光纖光學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科領(lǐng)域的研究熱潮。大量研究工作通過轉(zhuǎn)移或涂覆方式將二維材料和光纖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光纖的功能化應(yīng)用，例如四波混頻和光電調(diào)制。但這種方法一般需要改變光纖結(jié)構(gòu)(例如側(cè)剖和拉錐光纖)來實(shí)現(xiàn)材料和倏逝波的耦合，往往會(huì)影響光纖的傳輸能力，產(chǎn)生額外的傳輸損耗，且不易高質(zhì)量大規(guī)模制備?；诖耍本┐髮W(xué)/北京石墨烯研究院劉忠范院士和劉開輝研究員、中國科學(xué)院物理研究所白雪冬研究員及其合作者在Nature Nanotechnology發(fā)表了題為“Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity”的文章12，報(bào)道了分米級(jí)超高非線性二維材料復(fù)合光纖的制備進(jìn)展，利用該二維材料復(fù)合光纖實(shí)現(xiàn)了超高非線性信號(hào)的增強(qiáng)(2–3個(gè)量級(jí))，并且實(shí)現(xiàn)了真正的亞皮秒量級(jí)(～500 fs)全光纖鎖模激光器，這些應(yīng)用結(jié)果展示了二維材料復(fù)合光纖在非線性光學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)異性能和應(yīng)用前景。

基于北京大學(xué)/北京石墨烯研究院前期在米級(jí)石墨烯光子晶體光纖的工作積累13，該研究團(tuán)隊(duì)利用兩步化學(xué)氣相沉積法在多種類型光纖孔內(nèi)壁直接生長二維過渡金屬硫族化合物(TMDs)，實(shí)現(xiàn)了超高非線性二維材料復(fù)合光纖的制備(圖1)。與石墨烯光纖制備不同，TMDs光纖制備更具挑戰(zhàn)性：化學(xué)氣相沉積生長TMDs過程，過渡金屬前驅(qū)體多為固態(tài)(氧化鉬、氧化鎢等)，其飽和蒸汽壓較低，在光纖微結(jié)構(gòu)中無法均勻傳質(zhì)。即使在低壓情況下，也無法保證前驅(qū)體在光纖微結(jié)構(gòu)中的有效傳輸和均勻生長。鑒于此，該研究團(tuán)隊(duì)首次提出一種兩步化學(xué)氣相沉積的方法，通過低溫預(yù)涂覆過渡金屬前驅(qū)體Na2MoO4，并在高溫硫化及生長，成功在光纖孔內(nèi)壁上直接生長出單層MoS2，并且實(shí)現(xiàn)了多種二維TMDs材料及其合金在不同種類規(guī)格光纖(空心石英管光纖和光子晶體光纖)中均勻全覆蓋生長，長度最長可達(dá)25 cm。

圖1 二維材料復(fù)合光纖制備。(a)兩步法化學(xué)氣相沉積制備MoS2復(fù)合光纖示意圖。(b) 50 μm孔徑石英管光纖中MoS2大單晶光學(xué)圖像。(c) HF刻蝕處理光纖后形成的坍塌MoS2管的莫爾條紋掃描電子顯微鏡圖像。(d) 25 cm長MoS2復(fù)合光纖樣品Raman光譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

TMDs與光纖中傳輸?shù)墓馔ㄟ^倏逝波進(jìn)行耦合，光纖優(yōu)異的光波導(dǎo)能力可以大大增加光與物質(zhì)的相互作用長度，進(jìn)而提高非線性效應(yīng)。文章作者分別基于非線性系數(shù)的實(shí)部和虛部進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)用研究(圖2)。(1)非線性實(shí)部：光頻轉(zhuǎn)換應(yīng)用研究，二維材料復(fù)合光纖產(chǎn)生了超強(qiáng)的二次和三次諧波，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)MoS2復(fù)合光纖的非線性信號(hào)比平面上MoS2樣品增強(qiáng)～300倍且損傷閾值提高3倍。這為未來設(shè)計(jì)新型基于光纖的非線性材料提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，這種新型復(fù)合光纖材料有望取代現(xiàn)在常用的非線性晶體，實(shí)現(xiàn)非線性光學(xué)材料領(lǐng)域重大突破。(2)非線性虛部：全光纖超快脈沖激光研究，利用MoS2復(fù)合光纖作為飽和吸收器，實(shí)現(xiàn)了全光纖超快脈沖激光輸出，其具有超短脈沖寬度～500 fs，高重復(fù)頻率～41 MHz，輸出功率～6 mW的優(yōu)異性能。二維材料光纖為全光纖超快脈沖激光器提供了一種新的低成本、高性能且可重復(fù)制備的飽和吸收器材料，推進(jìn)了全光纖鎖模激光器的發(fā)展和低維材料關(guān)鍵而重要的應(yīng)用。

這一工作開創(chuàng)性地將高非線性二維材料與光纖復(fù)合，不僅拓展了二維材料應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)為光纖器件功能化研究提供了新思路，對(duì)新型光電子器件相關(guān)領(lǐng)域具備示范和引領(lǐng)作用。該工作所展示的方法不僅可以實(shí)現(xiàn)二維TMDs材料與光纖有效集成及規(guī)?；苽?，同時(shí)為新型非線性材料的設(shè)計(jì)開辟了新領(lǐng)域，對(duì)后續(xù)超連續(xù)光譜、高次諧波以及基于非線性效應(yīng)的新型光纖通訊提供了材料支撐?？梢灶A(yù)見，隨著未來二維材料生長工藝的不斷提高和改進(jìn)，同時(shí)結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，可以滿足各種類型的非線性光學(xué)和光纖光學(xué)研究需求，推動(dòng)二維材料復(fù)合光纖在光電、非線性光學(xué)等領(lǐng)域的批量制備和功能化應(yīng)用。

圖2 二維材料復(fù)合光纖的非線性應(yīng)用。(a) MoS2光纖產(chǎn)生二次諧波和三次諧波示意圖。(b–c) MoS2復(fù)合光纖產(chǎn)生的二次諧波(b)和三次諧波(c)與平面石英襯底上MoS2樣品以及裸纖的比較。(d)使用MoS2光纖做飽和吸收體的全光纖鎖模激光器結(jié)構(gòu)示意圖。(e)激光器輸出光譜。(f)激光器輸出脈沖的自相關(guān)曲線。