二維材料復(fù)合光纖調(diào)制器件研究進(jìn)展

林凱風(fēng)，鐘叮，邵嘉惠，劉開輝，王金煥，左勇剛，周旭

1 北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院，人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871

2 中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系，北京 100872

3 北京大學(xué)物理學(xué)院，人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871

4 昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650031

5 華南師范大學(xué)物理學(xué)院，廣東省量子調(diào)控工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006

6 華南師范大學(xué)物理前沿科學(xué)研究院，粵港量子物質(zhì)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006

1 引言

通信技術(shù)伴隨著人類社會(huì)的發(fā)展而不斷演進(jìn)。從最早的口耳相傳、驛馬飛鴿，到后來(lái)的電報(bào)電話，再到如今信息時(shí)代的互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信，人們目睹了通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展和巨大影響。隨著科技的飛速發(fā)展，各種應(yīng)用如4K直播、遠(yuǎn)程醫(yī)療、萬(wàn)物互聯(lián)和人工智能等迅速興起，推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的互聯(lián)規(guī)模呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在信息時(shí)代的快速發(fā)展下，傳統(tǒng)的通信方式已經(jīng)無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求，人們迫切需要一種具有更低傳輸損耗和更高帶寬的通信介質(zhì)來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。光纖是一種具有極低傳輸損耗和寬波段的優(yōu)良光波導(dǎo)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離、高速和大容量的數(shù)據(jù)傳輸1。因此，以光纖為載體，通過(guò)傳輸光子進(jìn)行互聯(lián)的光通信技術(shù)正在逐漸成為當(dāng)代信息通訊的基礎(chǔ)2。

光纖通信系統(tǒng)一般包含信源、調(diào)制器、載波源、光纖、光放大器、光中繼器、檢測(cè)器(解調(diào)器)、信號(hào)處理器和信宿等部分。其中調(diào)制器、載波源、中繼器和解調(diào)器等往往基于電學(xué)和光電子學(xué)器件。當(dāng)光通過(guò)這些器件的時(shí)候，其高速和寬帶傳輸過(guò)程會(huì)被打斷，這不利于光纖通信的高速和高容量發(fā)展。因此，人們一直致力于在光纖通信系統(tǒng)中采用全光纖器件，以確保光信號(hào)在光纖傳輸過(guò)程中的調(diào)制、放大和探測(cè)不會(huì)中斷。例如，目前的光通信系統(tǒng)中，光調(diào)制器和光纖作為分立的兩個(gè)單元，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸，需要使用耦合裝置將它們連接起來(lái)，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，并可能引入額外的損耗和信號(hào)失真3。為了解決這些問(wèn)題，可將光調(diào)制器與光纖復(fù)合成為全光纖型調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)高效的光耦合，降低信號(hào)損耗和失真，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。然而，傳統(tǒng)的光纖結(jié)構(gòu)和體材料特點(diǎn)限制了光調(diào)制器與光纖的全光纖化復(fù)合。因此，尋找新型的光纖結(jié)構(gòu)與材料，探索全光纖型調(diào)制器的復(fù)合方法成為當(dāng)前一個(gè)新興且重要的研究方向(圖1)。

圖1 光調(diào)制手段及原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical modulation methods and principles.

近年來(lái)，以石墨烯為代表的二維原子晶體材料在光調(diào)制領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注4-20，為全光纖型器件的發(fā)展提供新的設(shè)計(jì)思路與策略，同時(shí)也帶來(lái)機(jī)遇與挑戰(zhàn)21-27。二維材料在光調(diào)制方面具有天然優(yōu)勢(shì)：(1)二維材料種類繁多，結(jié)構(gòu)豐富，具備與體材料迥異的新奇光電性能，應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富28；(2)二維材料的光學(xué)響應(yīng)范圍廣，可覆蓋紫外至太赫茲波段，因此能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶的光學(xué)調(diào)制。這意味著二維材料可以在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行有效的控制，滿足多種光通信和光信息處理的需求29；(3)由于二維材料具有較高載流子遷移率，因而具備極快的調(diào)制速度。例如，石墨烯的室溫遷移率超過(guò)15000 cm2·V-1·s-130，低溫(1.5 K)遷移率高達(dá)150000 cm2·V-1·s-131。而目前電子信息產(chǎn)業(yè)最常用的低摻雜硅的室溫遷移率僅有1350 cm2·V-1·s-132。這意味著二維材料對(duì)外界作用的響應(yīng)時(shí)間非常短，可用于實(shí)現(xiàn)高速光信號(hào)調(diào)制以及高效率光通信和光信息處理；(4)二維材料具有較高的光學(xué)非線性極化率，與之關(guān)聯(lián)的多種非線性效應(yīng)可用于各種光調(diào)制過(guò)程。這意味著二維材料在與光進(jìn)行相互作用過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)高效的光信號(hào)控制，降低能耗和成本33-36；(5)二維材料大多為層狀材料，其中，層內(nèi)由化學(xué)鍵連接，層間由弱范德華力相互作用。這種特性使得二維材料容易剝離成厚度只有原子級(jí)的單層或少層薄片結(jié)構(gòu)。憑借原子級(jí)厚度的結(jié)構(gòu)有利于與其他光學(xué)和電學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)合，避免了晶格失配問(wèn)題，擁有廣泛的應(yīng)用潛力(圖2)。所以，二維材料可與其他材料或器件進(jìn)行靈活的組合，實(shí)現(xiàn)多功能和多結(jié)構(gòu)的光學(xué)調(diào)制器件37。綜上，二維材料在光調(diào)制方面具有寬頻帶、高速、高效和靈活易集成的特點(diǎn)。

圖2 常見二維材料示意圖Fig.2 Schematic diagram of common two-dimensional materials.

二維材料的光調(diào)制過(guò)程與其復(fù)折射率(n?=n+ik)密切相關(guān)。其中，實(shí)部n決定了光在介質(zhì)中的傳播過(guò)程，對(duì)應(yīng)于對(duì)光的色散和相位調(diào)制；虛部k決定了光在介質(zhì)中的吸收過(guò)程，對(duì)應(yīng)于對(duì)光幅值的調(diào)制。通過(guò)改變外部環(huán)境中的光場(chǎng)、電場(chǎng)和溫度等因素可以調(diào)控二維材料的復(fù)折射率18,29?；诙S材料的光學(xué)調(diào)制方法大致可分為三類(圖1a)：光激發(fā)法、柵壓調(diào)控法和溫度控制法。這三種方法分別對(duì)應(yīng)全光調(diào)制、電光調(diào)制和熱光調(diào)制。全光調(diào)制和電光調(diào)制可以通過(guò)改變載流子分布來(lái)調(diào)節(jié)復(fù)折射率的虛部，進(jìn)而影響光的吸收，實(shí)現(xiàn)光的幅值調(diào)制。另外，非線性光學(xué)參量過(guò)程利用復(fù)折射率的實(shí)部實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)控。電光普克爾效應(yīng)和電光克爾效應(yīng)利用復(fù)折射率的實(shí)部實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。與電學(xué)和光學(xué)調(diào)制過(guò)程相比，二維材料本身的熱光調(diào)制過(guò)程較弱。因此，二維材料的熱光調(diào)制過(guò)程常常將熱量傳導(dǎo)至波導(dǎo)或襯底，改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的折射率，之后再通過(guò)干涉或諧振結(jié)構(gòu)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的相位調(diào)制。所以基于二維材料出色的光調(diào)制性能，可以將其與不同結(jié)構(gòu)的光纖進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)低損耗、寬波段和高速度的全光纖光調(diào)制器(圖1b，c)。

從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)經(jīng)歷了蓬勃發(fā)展，各種新型光纖如側(cè)剖光纖(Side-Polished Fiber，SPF)、光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，PCF)和微納光纖(Micronano Fiber，MF)等相繼誕生38-43。這些新型光纖結(jié)構(gòu)在光學(xué)傳輸模式、色散和非線性效應(yīng)等方面各具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，拓展了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域?；诟鞣N不同光纖結(jié)構(gòu)，二維材料能夠以不同方式與其進(jìn)行復(fù)合以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制(如圖3所示)。(1)端面復(fù)合是將二維材料轉(zhuǎn)移或生長(zhǎng)在光纖端面上的一種簡(jiǎn)單且常見的復(fù)合方式。大部分采用普通單模或者多模光纖進(jìn)行端面復(fù)合，且光纖端面作為天然的平面可以較好兼容微納加工工藝，制作各種復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)和電學(xué)結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合方式可以最大限度地減少二維材料對(duì)光傳輸模式的影響。然而，其局限性在于光與二維材料的相互作用距離被限制在二維材料厚度的納米量級(jí)(例如石墨烯層間距為0.33 nm、六方氮化硼的層間距為0.33 nm、二硫化鉬的層間距為0.62 nm、黑磷的層間距為0.53 nm)，導(dǎo)致其絕對(duì)調(diào)制深度往往比較小27,44。(2)側(cè)剖復(fù)合和拉錐復(fù)合方式是先精確加工制備特定尺寸的側(cè)剖光纖或拉錐微納光纖，然后將二維材料生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)移至光纖的側(cè)剖面或拉錐區(qū)域。在這種復(fù)合方式中，光通過(guò)纖芯進(jìn)行傳輸，并通過(guò)倏逝場(chǎng)與二維材料相互作用。這種相互作用的強(qiáng)度取決于二維材料在光傳輸方向上的幾何尺寸(通常為微米量級(jí))，可以顯著增強(qiáng)光與物質(zhì)之間的相互作用強(qiáng)度。然而，側(cè)剖復(fù)合和拉錐復(fù)合的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備45-48。(3)孔內(nèi)壁復(fù)合方式是通過(guò)化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)等方法在光子晶體光纖、反諧振光纖或毛細(xì)管等光纖的空氣孔內(nèi)壁上生長(zhǎng)二維材料。原子級(jí)厚度的二維材料既不會(huì)破壞光纖傳輸模式，又可以賦予光纖更多二維材料的奇特物性，與多孔或空心結(jié)構(gòu)一同實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光纖或傳統(tǒng)二維材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特功能。然而，這種復(fù)合方法受限于光纖空氣孔的微小尺寸，其內(nèi)部生長(zhǎng)的二維材料的尺寸和質(zhì)量面臨巨大挑戰(zhàn)，仍有待提高49-53。

圖3 常見二維材料復(fù)合光纖體系示意圖Fig.3 Schematic diagram of common two-dimensional material hybrid fiber system.

本文綜述了采用以上不同種類的二維材料復(fù)合光纖在全光、電光和熱光調(diào)制領(lǐng)域的過(guò)程與應(yīng)用。全光調(diào)制方面，我們將介紹基于折射率虛部的被動(dòng)鎖模與全光開關(guān)、超連續(xù)光譜展寬與偏振控制，以及基于折射率實(shí)部的光學(xué)參量轉(zhuǎn)換過(guò)程。電光調(diào)制方面，我們將介紹基于折射率虛部的電致光吸收效應(yīng)和基于實(shí)部的電光克爾與電光普克爾效應(yīng)。隨著二維材料復(fù)合光纖領(lǐng)域的不斷發(fā)展，我們可以期待在光通信光信息處理等領(lǐng)域中出現(xiàn)更多創(chuàng)新和多功能的全光纖器件，為人類社會(huì)的通信技術(shù)和科技發(fā)展帶來(lái)更大的推動(dòng)力。

2 二維材料復(fù)合光纖全光調(diào)制

近些年，基于二維材料復(fù)合光纖的全光調(diào)制過(guò)程逐漸引起人們的關(guān)注和研究，它有望在下一代超快速率、超低功耗的光通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的全光通信提供一種全新的設(shè)計(jì)思路和理念。目前，全光調(diào)制器研究主要包括可飽和吸收體(Saturable Absorber，SA)27,44、全光開關(guān)54、光學(xué)參量轉(zhuǎn)換器50和偏振控制器46等多種器件領(lǐng)域。這些器件主要利用二維材料的強(qiáng)非線性光學(xué)響應(yīng)，尤其是與三階非線性極化率相關(guān)的光學(xué)過(guò)程，而非線性極化率可用復(fù)折射率和非線性系數(shù)進(jìn)行表示。其中，三階非線性極化率的虛部Im(χ(3))在基于吸收的全光調(diào)制中起著關(guān)鍵作用，例如實(shí)現(xiàn)激光器被動(dòng)鎖模的可飽和吸收效應(yīng)。而實(shí)部Re(χ(3))則負(fù)責(zé)非線性參量過(guò)程，如四波混頻和三次諧波產(chǎn)生29,55。這些全光調(diào)制器具有寬帶寬、快速響應(yīng)和小型尺寸的特點(diǎn)，使其適用于緊湊、集成的全光學(xué)調(diào)制應(yīng)用。

2.1 被動(dòng)鎖模器與全光開關(guān)

根據(jù)信號(hào)光由自身或其他光束進(jìn)行調(diào)制，基于吸收的全光調(diào)制過(guò)程可分為被動(dòng)調(diào)制和主動(dòng)調(diào)制，分別對(duì)應(yīng)于可飽和吸收器和全光開關(guān)兩種類型。

可飽和吸收器是指具有對(duì)入射光的吸收率隨著入射功率的增大而減小，直至達(dá)到飽和現(xiàn)象的材料。它是一種利用非線性效應(yīng)產(chǎn)生超短脈沖的被動(dòng)光調(diào)制器件，常用于實(shí)現(xiàn)鎖模激光輸出。在被動(dòng)鎖模過(guò)程中，可飽和吸收器對(duì)入射脈沖的峰值部分具有較高的透過(guò)率，而脈沖邊沿部分的透過(guò)率較低。入射光多次經(jīng)過(guò)可飽和吸收器，脈沖不斷變窄，直到與群速度色散引起的脈沖展寬達(dá)到平衡，從而形成脈沖寬度在皮秒或飛秒量級(jí)的超短脈沖。鎖模光纖激光器輸出的超短脈沖還具有較高的峰值功率，在光通信56,57、材料加工58,59、光頻梳60,61、光譜學(xué)62,63等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的可飽和吸收器通常是分子束外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(Semiconductor Saturable Absorption Mirror，SESAM)64，它廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器、超快光纖激光器和固體激光器中。然而，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡也有其自身的局限性，包括恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)(皮秒級(jí))、窄帶工作(＜ 100 nm)、體積較大和制作工藝復(fù)雜18,53,55。此外，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡為晶體狀，在超快光纖激光器中需要與光纖通過(guò)耦合器在自由空間耦合，采用透鏡等分立的光學(xué)元件。這種“光纖-耦合器-晶體-耦合器-光纖”的結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致較高的傳輸損耗和較大的封裝體積65。因此，全光纖型可飽和吸收器一直是被動(dòng)鎖模光纖激光器的研究方向和目標(biāo)。

二維材料具有明顯的可飽和吸收特性(圖4a)，當(dāng)一束光子能量大于帶隙的光入射二維材料時(shí)，價(jià)帶電子吸收入射光子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，在亞皮秒內(nèi)，光生載流子很快被熱化，建立熱費(fèi)米-狄拉克分布，熱化的載流子被帶內(nèi)散射效應(yīng)冷卻，最終通過(guò)電子-空穴復(fù)合達(dá)到平衡的載流子分布。這一過(guò)程是發(fā)生在低強(qiáng)度光激發(fā)下的線性吸收過(guò)程，光子被吸收，透射率降低。在高激發(fā)強(qiáng)度下，光生載流子使導(dǎo)帶和價(jià)帶邊緣附近的態(tài)被填充，由于泡里阻塞效應(yīng)阻礙了對(duì)光的進(jìn)一步吸收，大量光子透過(guò)，透射率增大。與常見的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡與碳納米管相比，二維材料具有寬工作波段特性、超短弛豫時(shí)間和可控調(diào)制深度等優(yōu)點(diǎn)44,66-68。此外，二維材料易與光纖復(fù)合的特點(diǎn)對(duì)于構(gòu)建全光纖鎖模激光器具有重要意義69,70。基于二維材料的全光纖可飽和吸收器，根據(jù)二維材料與光纖的耦合方式大致可分為端面復(fù)合27,44、側(cè)拋或拉錐復(fù)合71和孔內(nèi)壁復(fù)合72,73。

圖4 二維材料復(fù)合光纖被動(dòng)鎖模和全光開關(guān)Fig.4 Passive mode-locker and all-optical switch of two-dimensional material hybrid fiber.

根據(jù)二維材料的制備工藝和輸出激光的參數(shù)要求，需要選擇合適的二維材料和光纖的耦合方式以實(shí)現(xiàn)最佳匹配。2009年，Bao等人最早將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移在光纖端面作為可飽和吸收器，實(shí)現(xiàn)了在1565 nm通訊波段的鎖模光纖激光器，脈沖寬度為756 fs，重復(fù)頻率為1.79 MHz44。隨后不久，Sun等人將石墨烯與聚乙烯醇(PVA)溶液混合制成50 μm厚的復(fù)合材料，并用光纖法蘭將其夾在兩根光纖跳線之間。通過(guò)這種方式，他們獲得了脈沖持續(xù)時(shí)間更短(約464 fs)的脈沖序列，并在多個(gè)波長(zhǎng)下測(cè)量了飽和吸收曲線，證實(shí)了石墨烯的可飽和吸收特性27。

隨后，各種二維材料被應(yīng)用于不同配置的鎖模激光器，以優(yōu)化激光的輸出參數(shù)，包括脈沖持續(xù)時(shí)間、重復(fù)頻率和輸出功率等。2015年，Sotor等人設(shè)計(jì)了一種使用石墨烯作為可飽和吸收器的摻鉺光纖脈沖激光器，成功將脈沖持續(xù)時(shí)間縮短至88 fs74。為了實(shí)現(xiàn)更高的脈沖重復(fù)頻率，人們通常會(huì)采用較短的激光諧振腔體設(shè)計(jì)。Martinez等人報(bào)道了一種基于10 mm長(zhǎng)的光纖法布里-珀羅腔和石墨烯可飽和吸收器的鎖模激光器，重復(fù)頻率可達(dá)9.67 GHz75。

除了石墨烯，其他二維材料如過(guò)渡金屬硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides，TMD)50,76,77、拓?fù)浣^緣體78-80、黑磷81-83和GaSe84,85也被用于鎖模激光器以實(shí)現(xiàn)更大的調(diào)制深度或更高的激光損傷閾值，以便實(shí)現(xiàn)高功率超短脈沖輸出。2020年，劉忠范院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)兩步CVD法在PCF中生長(zhǎng)MoS2。他們成功制備了具有較高調(diào)制深度(10%)和飽和峰強(qiáng)(0.8 MW·cm-2)的MoS2-PCF可飽和吸收器，其性能與常規(guī)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡相當(dāng)(圖4b)。利用該可飽和吸收器，他們構(gòu)建了全光纖鎖模激光器(圖4c)，輸出功率6 mW，脈沖寬度500 fs，重復(fù)頻率41 MHz(圖4d)50。此外，Lee等人將黑磷轉(zhuǎn)移至側(cè)拋光纖作為可飽和吸收器，成功抑制了熱損傷，并獲得了平均功率為214 mW，脈沖寬度為805 fs的激光脈沖86。

不同種類二維材料制作的可飽和吸收器在應(yīng)用波長(zhǎng)范圍上存在差異。石墨烯可飽和吸收器主要用于產(chǎn)生波長(zhǎng)在0.8至2.9 μm之間的脈沖光。然而，由于石墨烯在可見光與短波近紅外光范圍表現(xiàn)出相對(duì)較大的飽和通量，限制了其在該范圍內(nèi)的適用性70。與石墨烯不同，TMD和黑磷表現(xiàn)出有限的共振吸收帶隙。TMD通常在可見光范圍內(nèi)顯示共振吸收87，而黑磷則在近紅外和中紅外范圍內(nèi)表現(xiàn)出共振吸收81。因此，這些材料在這些波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供了替代石墨烯可飽和吸收器的解決方案。例如，可用于全光纖脈沖激光輸出的TMD87和黑磷88可飽和吸收器已經(jīng)分別在可見光和近紅外范圍內(nèi)展示了潛力，這為未來(lái)可見光(甚至紫外)和近紅外范圍內(nèi)的脈沖光纖激光源提供了可能性。

與SESAM相比，二維材料復(fù)合光纖作為可飽和吸收器用于脈沖激光的產(chǎn)生具有顯著優(yōu)勢(shì)。首先，二維材料復(fù)合光纖可飽和吸收器具有寬廣的工作波長(zhǎng)范圍，適用于多種波長(zhǎng)的激光器，例如1 μm89,90、1.55 μm44,73、2 μm91,92以及3 μm93。其次，二維材料具有較短的弛豫時(shí)間，二維材料中的載流子可以在飛秒或皮秒的時(shí)間尺度內(nèi)弛豫。但是也存在一些問(wèn)題，例如飽和流量比SESAM更高，損傷閾值更低等18,94。因此，二維材料適用于產(chǎn)生超短持續(xù)時(shí)間(接近或甚至小于100 fs74,95)和寬調(diào)諧波長(zhǎng)的激光器，而SESAM更適用于具有低閾值、高功率激光器。此外，與分子束外延制備的SESAM相比，二維材料可飽和吸收器更易通過(guò)靜電摻雜，化學(xué)摻雜等方式調(diào)控，而且可以通過(guò)機(jī)械剝離、液相剝離、化學(xué)氣相沉積等多種方法制備，易與光纖和波導(dǎo)等光子結(jié)構(gòu)集成。綜上，二維材料復(fù)合光纖可飽和吸收器在脈沖激光的產(chǎn)生方面具備巨大優(yōu)勢(shì)89-93。

除了被動(dòng)鎖模所使用的可飽和吸收器，全光調(diào)制中的主動(dòng)光調(diào)制器或全光開關(guān)也逐漸受到人們的關(guān)注。全光開關(guān)是一種通過(guò)介質(zhì)的非線性光學(xué)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制光的器件。近年來(lái)，基于二維材料的電光調(diào)制器利用電調(diào)諧費(fèi)米能級(jí)實(shí)現(xiàn)了電控光，然而它們的工作帶寬受到驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)速度的限制，往往被限制在10 GHz量級(jí)。相比之下，全光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間僅受材料固有載流子弛豫時(shí)間的限制，因此可以實(shí)現(xiàn)更大的帶寬(＞100 GHz)96。因此，全光開關(guān)作為一種全光調(diào)制方案，沒(méi)有電-光-電轉(zhuǎn)換的過(guò)程，其工作功耗更低，在高帶寬、低功耗等方面具有巨大潛力。

全光開關(guān)通過(guò)利用具有高光子能量(短波長(zhǎng))的開關(guān)光對(duì)具有低光子能量(長(zhǎng)波長(zhǎng))的信號(hào)光進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光吸收的“開”和“關(guān)”的調(diào)控。當(dāng)信號(hào)光入射二維材料時(shí)，材料吸收部分信號(hào)光導(dǎo)致其衰減，透過(guò)率降低。然而，當(dāng)引入光子能量高于二維材料費(fèi)米能級(jí)兩倍的開關(guān)光時(shí)，它將激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，而帶間躍遷引發(fā)的泡利阻塞效應(yīng)將吸收閾值轉(zhuǎn)移到更高的能量區(qū)域?qū)е滦盘?hào)光的衰減減少，透過(guò)率增大(圖4e)。全光開關(guān)的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括響應(yīng)時(shí)間、閾值功率、調(diào)制深度和插入損耗等。

由于二維材料與光纖的容易復(fù)合且開關(guān)光引起的折射率變化很小，光纖的波導(dǎo)模式不會(huì)明顯改變，因此人們研制了結(jié)構(gòu)緊湊的二維材料復(fù)合光纖全光開關(guān)。在2013年，Liu等人在低折射率的MgF2基底上使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)支撐的石墨烯覆蓋了直徑為8 μm的微納光纖表面，制作出了調(diào)制速度為1 MHz、調(diào)制深度為13 dB、插入損耗為15 dB的全光開關(guān)97。然而，由于石墨烯與光之間的相互作用不夠充分，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高調(diào)制深度需要較高功率的開關(guān)光和信號(hào)光。在2014年，Li等人報(bào)道了一種采用石墨烯包覆微納光纖的全光調(diào)制器，其中雙層石墨烯包覆在腰直徑約為1 μm、長(zhǎng)度為2 mm的單模微納光纖上(圖4f)54。當(dāng)1.55 μm的連續(xù)信號(hào)光和1.06 μm的脈沖開關(guān)光(＜ 5 ns，2.4 kHz)經(jīng)過(guò)石墨烯包覆微納光纖時(shí)(圖4g)，在開關(guān)光脈沖持續(xù)期間，信號(hào)光的吸收損耗減小，從而切換出納秒級(jí)的信號(hào)脈沖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)光的有效調(diào)制(圖4h)。由于石墨烯的光激發(fā)載流子的弛豫時(shí)間僅有幾皮秒66，因此所測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間約為2.2 ps，對(duì)應(yīng)于高斯脈沖的最大調(diào)制速率約為200 GHz。石墨烯包覆微納光纖全光開關(guān)具有較大的調(diào)制深度(38%)和高飽和吸收峰值閾值功率(40 W)。為了降低飽和吸收的閾值，2015年，Meng等人制作了基于摻雜石墨烯的聚合物納米光纖，其飽和吸收閾值為1.3 W?？梢酝ㄟ^(guò)使用1064 nm波長(zhǎng)的納秒脈沖光作為開關(guān)光，對(duì)1550 nm的信號(hào)光進(jìn)行全光調(diào)制98。通過(guò)增加光與石墨烯之間的相互作用強(qiáng)度，Chen等人制作了立體石墨烯微納光纖結(jié)構(gòu)，其相互作用長(zhǎng)度為12 mm，調(diào)制深度為7.5 dB，但插入損耗較高99。通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化光纖和石墨烯的幾何形狀，可以在調(diào)制深度和插入損耗之間實(shí)現(xiàn)良好的平衡。除了微納光纖，側(cè)拋光纖也已被應(yīng)用于全光開關(guān)。2016年，Zhang等人將旋涂聚乙烯醇縮丁醛(PVB)的石墨烯膜附著在側(cè)拋光纖上，相互作用長(zhǎng)度為5 mm，制作了具有極低插入損耗(＜ 1 dB)的全光調(diào)制器，其調(diào)制深度為9 dB，速度達(dá)到0.5 THz100。

除石墨烯之外的其他二維材料也可以作為有效的全光開關(guān)材料，例如，2017年，Zhang等人設(shè)計(jì)了一種將MoSe2與微納光纖復(fù)合的全光開關(guān)，用405和980 nm的開關(guān)光控制1550 nm的信號(hào)光，改變開關(guān)光功率，信號(hào)光分別獲得約2和30 dB的相對(duì)功率變化101。原則上，在激發(fā)波長(zhǎng)與二維材料帶隙共振時(shí)有潛力實(shí)現(xiàn)有效的全光有源調(diào)制，如利用異質(zhì)石墨烯-光纖微腔中的電控光頻梳。通過(guò)改變?cè)雍袷┑馁M(fèi)米能級(jí)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可調(diào)吸收，可控Q因子61。利用TMD實(shí)現(xiàn)可見光調(diào)制，或者利用黑磷實(shí)現(xiàn)中紅外光調(diào)制102。

在過(guò)去的10年中，基于二維材料復(fù)合光纖的全光開關(guān)取得了很大的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了高調(diào)制深度，超短響應(yīng)時(shí)間和低開關(guān)閾值。全光開關(guān)的調(diào)制速度僅受到開關(guān)光頻率的限制,響應(yīng)時(shí)間較短一般為皮秒量級(jí)，是最有希望達(dá)到二維材料理論速度極限的一種調(diào)制器。期望在未來(lái)二維材料復(fù)合光纖全光開關(guān)會(huì)成為光通信等領(lǐng)域的基石。

2.2 光學(xué)參量轉(zhuǎn)換與超連續(xù)光譜展寬

全光信號(hào)調(diào)制在當(dāng)代光通信領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力103,104，作為其中一種關(guān)鍵的非線性功能器件，光學(xué)參量轉(zhuǎn)換器的工作原理與材料的二階和三階非線性效應(yīng)密切相關(guān)。非線性光學(xué)材料通過(guò)諸如倍頻、和頻、差頻和四波混頻等效應(yīng)輸出波長(zhǎng)與入射光不同的光?；诠饫w的光學(xué)參量轉(zhuǎn)換器主要是利用光纖的高非線性效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。人們已經(jīng)利用色散位移光纖、光子晶體光纖等光纖的四波混頻(Four Wave Mixing，F(xiàn)WM)105、交叉相位調(diào)制106和Raman散射效應(yīng)107實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，并證明其具有超快的響應(yīng)速度和寬的工作帶寬等特點(diǎn)，但是要求光纖具有高非線性效應(yīng)。二維材料復(fù)合光纖具有比光纖更高的非線性折射率和更寬的工作波長(zhǎng)范圍，并且具備兼容性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，因此在作為高效光學(xué)參量轉(zhuǎn)換器方面具有巨大的潛力50,108。

由于石英光纖的原子結(jié)構(gòu)的中心對(duì)稱性，理論上是沒(méi)有光纖二階非線性過(guò)程產(chǎn)生。二維材料，例如TMD、GaSe，具有非常強(qiáng)的二次諧波產(chǎn)生(SHG)、和頻產(chǎn)生(SFG)和差頻產(chǎn)生(DFG)等二階非線性效應(yīng)。通過(guò)將二維材料與光纖進(jìn)行復(fù)合，可以將二維材料的這些非線性過(guò)程賦予光纖，也可以通過(guò)光纖的高品質(zhì)波導(dǎo)增強(qiáng)光與二維材料相互作用產(chǎn)生更強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)45,50,108。例如，2019年，Chen等人對(duì)WS2復(fù)合拉錐光纖中的SHG響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得了比未轉(zhuǎn)移WS2的拉錐光纖高20倍以上的SHG信號(hào)強(qiáng)度，并證明了應(yīng)變可以有效地調(diào)控WS2復(fù)合拉錐光纖中的SHG109。為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率和獲得更強(qiáng)的SHG信號(hào)，2020年，劉忠范院士團(tuán)隊(duì)在25 cm長(zhǎng)的空心光纖中生長(zhǎng)了單層MoS2，并測(cè)試了其SHG和三次諧波產(chǎn)生(THG)效應(yīng)(圖5a)。相比于熔融石英基底上的單層MoS2，MoS2-空芯光纖的SHG和THG效應(yīng)均增強(qiáng)了約300倍，能量轉(zhuǎn)換效率有潛力達(dá)到10-4到10-3數(shù)量級(jí)(圖5b)50。然而，空心光纖一般具有較大的模場(chǎng)面積以獲得低的傳輸損耗，且光束能量主要集中在空心區(qū)域，二維材料功能層處的光能量密度較低，限制了光和物質(zhì)相互作用強(qiáng)度，從而限制了轉(zhuǎn)換效率。因此，Ngo等人于2022年將單層MoS2生長(zhǎng)在長(zhǎng)度為3.5 mm的懸芯光纖表面，與裸纖進(jìn)行比較，結(jié)果顯示當(dāng)輸入功率分別為20和80 mW時(shí)，MoS2復(fù)合懸芯光纖的SHG轉(zhuǎn)換效率分別增加了1113倍和600倍110。此外，相較于TMD等二維材料，GaSe具有更強(qiáng)的二階非線性效應(yīng)35，能夠獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，并在可見光到太赫茲波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換111。2020年，Jiang等人在微納光纖上沉積了少層GaSe納米片，由于微納光纖的強(qiáng)倏逝場(chǎng)和GaSe的超高二階非線性效應(yīng)，僅使用亞毫瓦連續(xù)光激光器就能有效地實(shí)現(xiàn)SHG和SFG，并在1500-1620 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。與裸纖相比，復(fù)合了GaSe的微納光纖的SHG強(qiáng)度提高了4個(gè)數(shù)量級(jí)以上108。

圖5 二維材料復(fù)合光纖光學(xué)參量轉(zhuǎn)換和超連續(xù)光譜展寬Fig.5 Optical parametric conversion and supercontinuum generation of two-dimensional material hybrid fiber.

基于三階非線性效應(yīng)的四波混頻是指由兩個(gè)或三個(gè)波長(zhǎng)之間相互作用產(chǎn)生兩個(gè)或一個(gè)新波長(zhǎng)的現(xiàn)象，是相位敏感的參量過(guò)程。四波混頻是二維材料復(fù)合光纖的另一個(gè)重要應(yīng)用，并廣泛應(yīng)用于光學(xué)參量轉(zhuǎn)換、光學(xué)參量放大和超連續(xù)譜等現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域(圖5c)112。2012年，Xu等人將石墨烯轉(zhuǎn)移到光纖的端面，利用四波混頻實(shí)現(xiàn)了參量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到-30 dB113。隨后，2014年，Wu等人采用附著石墨烯膜的微納光纖，在接觸長(zhǎng)度為10 mm的情況下，將四波混頻效率提高至-28 dB，并在1550 nm附近實(shí)現(xiàn)了4.5 nm的波長(zhǎng)調(diào)諧114。2015年，同一團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了微納光纖的直徑和接觸距離等參數(shù)，采用改進(jìn)的石墨烯/微納光纖混合波導(dǎo)，使用波長(zhǎng)為1.55 μm的高功率脈沖激光作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了多階級(jí)聯(lián)的四波混頻。他們使用可調(diào)諧的連續(xù)波信號(hào)光，在跨越15 nm以上的范圍內(nèi)產(chǎn)生了數(shù)十條級(jí)聯(lián)的四波混頻信號(hào)(圖5d)，信號(hào)光和泵浦光的失諧范圍可從0調(diào)諧到5 nm，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)-20 dB115。然而，石墨烯的低損傷閾值可能限制其在強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的光學(xué)參量轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。因此，人們開始使用其他二維材料與光纖結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)基于四波混頻的光學(xué)參量轉(zhuǎn)換。例如，使用黑磷116、鉍烯117、銻烯118、MXene(化學(xué)通式為Mn+1XnTx，其中n=1-3，M為過(guò)渡金屬，如Ti、Zr、V、Mo等；X代表C或N元素，Tx為表面基團(tuán)，通常為—OH、—O、—F或—Cl)119、拓?fù)浣^緣體120等材料。其中，Chen等人使用了二維拓?fù)浣^緣體Bi2Te3，該材料具有比石墨烯更大的非線性克爾系數(shù)。他們利用光學(xué)沉積法在微納光纖上涂覆Bi2Te3，實(shí)現(xiàn)了基于四波混頻的光學(xué)參量轉(zhuǎn)換，具有更寬的調(diào)諧范圍(6.4 nm)和轉(zhuǎn)換效率(-34 dB)，且損傷閾值高于20 dBm120。

二維材料復(fù)合光纖光學(xué)參量轉(zhuǎn)換器具有易于與現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)合的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)高性能頻率調(diào)制，并在全光信號(hào)處理、變頻光纖激光光源和光纖傳感器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

超連續(xù)光譜是指當(dāng)超短脈沖泵浦光入射到非線性光學(xué)材料中時(shí)，由于多種非線性效應(yīng)共同作用，導(dǎo)致原始泵浦光的光譜顯著展寬的現(xiàn)象40。1976年，Lin和Stolen首次在光纖中獲得了超連續(xù)光譜輸出，他們使用10 ns激光泵浦20 m長(zhǎng)的石英光纖，在泵浦光的長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)產(chǎn)生了180 nm的超連續(xù)光121，從此光纖成為產(chǎn)生超連續(xù)光譜的常用介質(zhì)之一。在正常色散區(qū)內(nèi)，光纖主要通過(guò)自相位調(diào)制、四波混頻等非線性效應(yīng)獲得相干性良好的超連續(xù)光譜；而在反常色散區(qū)內(nèi)，還可以通過(guò)高階孤子的形成、分裂和色散波等方式迅速實(shí)現(xiàn)更大范圍的光譜展寬。

然而，傳統(tǒng)的石英光纖難以將零色散點(diǎn)調(diào)控到小于1.3 μm，因此難以利用波長(zhǎng)在1 μm左右具有高峰值功率的激光器。為解決這個(gè)問(wèn)題，1996年，Knight等人發(fā)明了PCF122。由于PCF具有色散123和非線性124可調(diào)的特性，并能在寬帶范圍內(nèi)保持單模傳輸，因此成為產(chǎn)生超連續(xù)光譜的優(yōu)良介質(zhì)125。2000年，Ranka等人首次利用零色散波長(zhǎng)為767 nm的長(zhǎng)度為75 cm的PCF，在790 nm處用100 fs、0.8 nJ的脈沖泵浦光產(chǎn)生了390至1600 nm的超連續(xù)光譜126。人們通常通過(guò)兩種方式調(diào)制PCF以產(chǎn)生超連續(xù)光譜：一種是改變PCF的幾何形狀，例如改變空氣孔的大小和孔間距，結(jié)合拉錐光纖和級(jí)聯(lián)光纖等方法127,128；另一種方式是改變PCF的材料組成，例如在二氧化硅PCF纖芯中加入氟129,130、碲131、鍺132等元素進(jìn)行摻雜(圖5e)，或者在PCF孔洞內(nèi)填充氣體133、水134等來(lái)提高PCF的非線性系數(shù)并獲得適當(dāng)?shù)纳⑶€。

此外，人們發(fā)現(xiàn)將二維材料與光纖結(jié)合可以提高非線性系數(shù)，促進(jìn)超連續(xù)光譜的展寬。例如，2021年，Upadhyay等人理論上提出了一種名為十邊形PCF的新型結(jié)構(gòu)，在中心橢圓芯內(nèi)填充了具有高非線性特性的MoS2(圖5f)135。通過(guò)模擬驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)具有超高的非線性系數(shù)(9.68×105W-1·km-1)、適當(dāng)?shù)纳⑶€和較低的損耗，被認(rèn)為可用于產(chǎn)生超連續(xù)光譜。2022年，Ahmad等人在雙弧形光纖上沉積了SnTe，獲得了非線性系數(shù)為2787.9 W-1·km-1、長(zhǎng)度僅為0.11 cm的碲化錫-雙弧形光纖，可以產(chǎn)生221.52 nm的超連續(xù)光譜展寬136。如果將PCF作為襯底，在其孔洞內(nèi)承載具有高非線性系數(shù)的二維材料，可以增加光與材料相互作用的長(zhǎng)度，在不破壞原有傳輸模式的前提下降低超連續(xù)光譜產(chǎn)生的閾值功率，并實(shí)現(xiàn)跨越多個(gè)倍頻程的超連續(xù)光譜的輸出。

2.3 偏振控制

光偏振器是光通信系統(tǒng)中重要的組成部分之一，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。相比傳統(tǒng)的晶體和薄膜類偏振器件，光纖偏振器具有重量輕、體積小、消光比高以及與光纖系統(tǒng)兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的光纖偏振器一般基于單偏振光纖137或利用外部材料，如雙折射電介質(zhì)138,139和等離子體金屬140,141與光纖的非對(duì)稱偏振耦合。然而，這些偏振器通常具有相對(duì)較窄的操作帶寬和高損耗，限制了它們的應(yīng)用潛力。

近年來(lái)，石墨烯和TMD等二維材料的光學(xué)各向異性和寬帶響應(yīng)已經(jīng)被廣泛認(rèn)識(shí)，并已用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)偏振器件142,143。其中，基于石墨烯的光纖偏振器具有靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高消光比等優(yōu)勢(shì)，使其在偏振器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。在本征態(tài)下，石墨烯只吸收與石墨烯平面平行的部分光的電場(chǎng)分量(TM模式)。同時(shí)，通過(guò)光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或改變覆蓋在光纖上的介質(zhì)材料的折射率，可以改變與石墨烯方向平行和重疊的電場(chǎng)，從而影響TM模式或TE模式的輸出144,145。這種基于石墨烯的光纖偏振器具有很大的潛力，并且可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖中不同偏振模式的選擇和調(diào)控。這為光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感器等領(lǐng)域提供了新的可能性和機(jī)會(huì)。

Bao等人設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯復(fù)合側(cè)剖光纖的TE偏振模輸出的偏振器，在1550 nm波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)了27 dB的高偏振消光比46。通過(guò)夠建“金屬電極-電介質(zhì)-石墨烯”的三層結(jié)構(gòu)給石墨烯施加電壓改變其切向電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)偏振消光比和輸出偏振態(tài)的調(diào)控(圖6a)。輸出光強(qiáng)的角度依賴分布圖表明：無(wú)石墨烯的情況下，該石墨烯光纖輸出為圓偏振光；有石墨烯時(shí)其輸出明顯的線偏振光(圖6b)。2015年，Yao等人利用相同結(jié)構(gòu)的偏振器設(shè)計(jì)了產(chǎn)生相干脈沖的隨機(jī)激光器，該脈沖光纖激光器的的單偏振脈沖序列消光比高達(dá) 41 dB146。Zhang等人147將石墨烯和一種高折射率的聚乙烯醇縮丁醛(PVB)依次沉積在側(cè)拋光纖上，拋光區(qū)域到纖芯的距離為1 μm。其中，PVB可將側(cè)拋表面的倏逝場(chǎng)從纖芯位置“拉拽”出來(lái)，明顯增強(qiáng)了光和石墨烯相互作用強(qiáng)度。當(dāng)入射波長(zhǎng)為1550 nm時(shí)，該結(jié)構(gòu)具有較大的偏振消光比(37.5 dB)。Li等人采用了類似器件結(jié)構(gòu)，將100 nm厚的黃金沉積到側(cè)拋光纖上的石墨烯涂層，側(cè)拋區(qū)距離纖芯6 μm，在入射光波長(zhǎng)1550 nm處實(shí)現(xiàn)了27 dB的偏振器的消光比148。

圖6 二維材料復(fù)合光纖偏振控制Fig.6 Polarization of control two-dimensional material hybrid fiber.

與側(cè)拋光纖相比，微納光纖具有更強(qiáng)的倏逝場(chǎng)。He等人將石墨烯涂覆在微納光纖的錐區(qū)表面，并將其放置在低折射率的MgF2底座中間以保護(hù)光纖149。仿真結(jié)果表明，在微納光纖的錐區(qū)半徑小于1 μm時(shí)，該石墨烯光纖可用作TE模輸出的光纖偏振器。例如，當(dāng)錐區(qū)半徑為0.8 μm，錐區(qū)長(zhǎng)度為3.5 mm時(shí)，偏振消光比可達(dá)到27 dB。在此基礎(chǔ)上，Zhou設(shè)計(jì)了一種可切換輸出TE模或TM模的偏振器(圖6c)150。通過(guò)四個(gè)電極調(diào)節(jié)在石墨烯層的水平和垂直方向的電壓以調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)，一定費(fèi)米能級(jí)下，在水平方向上TM模的損耗總是大于TE模的損耗(圖6d)，在垂直方向上TE模的損耗總是大于TM模的損耗(圖6e)，可以實(shí)現(xiàn)在TE和TM模式之間可切換輸出的偏振器。仿真結(jié)果表明，偏振器在長(zhǎng)度為2.5 mm時(shí)實(shí)現(xiàn)了17 dB以上的消光比。Kou等人通過(guò)將微納光纖環(huán)繞在石墨烯片覆蓋的棒上制作成了偏振器件。與拉錐光纖上轉(zhuǎn)移石墨烯的方法相比，這種器件制備方法更加簡(jiǎn)單，且光與石墨烯相互作用距離更長(zhǎng)151。其偏振原理是，平行于石墨烯平面的光吸收較強(qiáng)，而垂直于石墨烯平面的光吸收則很低，這樣的偏振選擇吸收效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)線偏振態(tài)輸出的效果。同時(shí)，理論上可以通過(guò)在多線圈的螺旋結(jié)構(gòu)下增加光纖和石墨烯的相互作用長(zhǎng)度。當(dāng)單線圈結(jié)構(gòu)時(shí)，在1310 nm處的偏振消光比約為5 dB，在1550 nm處的消光比約為8 dB。通過(guò)使用更長(zhǎng)的光纖形成雙線圈結(jié)構(gòu)或多線圈結(jié)構(gòu)，可以增加光纖和石墨烯的接觸，從而增加消光比。

石墨烯復(fù)合偏振光纖具有制作簡(jiǎn)單、與光纖系統(tǒng)兼容性強(qiáng)和結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點(diǎn)，在全光纖平臺(tái)上光電器件中開辟了廣闊的前景。除了石墨烯外，其他強(qiáng)各向異性2D材料如黑磷152,153和ReS2154,155也是極佳的偏振器件候選材料。

3 二維材料復(fù)合光纖電光調(diào)制

在傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)中，電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)通常由光波導(dǎo)和電極組成。光波導(dǎo)常采用具有較強(qiáng)電光效應(yīng)的鐵電體，如鈮酸鋰143,156、鈦酸鋇157等。其工作原理是將光纖耦合進(jìn)波導(dǎo)中，在連接波導(dǎo)的電極上施加與攜帶信息相對(duì)應(yīng)的電壓，以改變光波導(dǎo)中的折射率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光強(qiáng)度等參數(shù)的調(diào)制。近年來(lái)，在電光調(diào)制領(lǐng)域，二維材料復(fù)合光纖展現(xiàn)出其重要性和巨大潛力。通過(guò)將二維材料的高響應(yīng)速度和強(qiáng)電光效應(yīng)與光纖的低損耗和易集成性的特點(diǎn)相結(jié)合，為光通信、光電子以及全光纖激光器等領(lǐng)域提供了引人注目的解決方案。本節(jié)將重點(diǎn)討論二維材料復(fù)合光纖在電光調(diào)制中的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，并探討其在實(shí)際應(yīng)用中的前景。

作為最具代表性的二維材料之一，石墨烯因其對(duì)光的吸收能力可通過(guò)對(duì)載流子數(shù)量的調(diào)控而改變，在電光調(diào)制領(lǐng)域備受矚目。石墨烯對(duì)光吸收的機(jī)理包含兩個(gè)過(guò)程，通常使用Kubo公式進(jìn)行描述：

其中，σintra和σinter分別代表石墨烯帶內(nèi)與帶間的電導(dǎo)率，ω是入射光子的角頻率，?是簡(jiǎn)約普朗克常量，τ1和τ2分別是帶內(nèi)和帶間躍遷弛豫時(shí)間，T為溫度，Ef是石墨烯的費(fèi)米能級(jí)且可以由外加偏置電壓來(lái)進(jìn)行調(diào)控，如下式：

其中，vF是費(fèi)米速度，ε0是真空介電常數(shù)，εr是電介質(zhì)的介電常數(shù)，，d是電介質(zhì)的厚度，e是單位電荷量，│(VG-VD)│為外加偏置電壓。

根據(jù)上述方程可以發(fā)現(xiàn)，石墨烯利用電致光吸收效應(yīng)，通過(guò)施加外部偏置電壓可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其費(fèi)米能級(jí)的調(diào)控，導(dǎo)致石墨烯的光電導(dǎo)發(fā)生變化，進(jìn)而引起其復(fù)折射率的虛部發(fā)生改變。這個(gè)過(guò)程可以直接影響石墨烯對(duì)光的吸收特性，從而有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)光幅值的精確調(diào)制。因此，可以利用這種機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)強(qiáng)度的精細(xì)控制，如圖7a所示，為電光調(diào)制提供一種可行的解決方案。

圖7 二維材料復(fù)合光纖電光調(diào)制Fig.7 Two-dimensional material hybrid fiber electro-optic modulation.

利用上述原理，2015年Yeom團(tuán)隊(duì)成功制備了一種基于石墨烯復(fù)合側(cè)剖光纖的電光調(diào)制光纖鎖模激光器47。該研究將石墨烯轉(zhuǎn)移到光纖側(cè)剖面并利用滴涂離子液體覆蓋石墨烯層。當(dāng)施加?xùn)艍簳r(shí)，離子液體/石墨烯界面形成雙電層，高電容性的雙電層導(dǎo)致石墨烯費(fèi)米能級(jí)顯著變化，從而改變了石墨烯的吸收特性。該器件在低電壓(3 V)下實(shí)現(xiàn)了90%的相對(duì)電光調(diào)制深度。因此，通過(guò)電壓控制，該光纖激光器實(shí)現(xiàn)了連續(xù)光、調(diào)Q鎖模和被動(dòng)鎖模等三種功能。在此基礎(chǔ)上，2020年Yeom團(tuán)隊(duì)將調(diào)制波長(zhǎng)范圍從1560 nm附近拓寬至532-1950 nm波段，并在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域表現(xiàn)出更高的電光調(diào)制效率，最大達(dá)到286.3% V-1，為全光纖電光調(diào)制增加了更多的應(yīng)用場(chǎng)景158。

上述研究中采用的體系均為側(cè)剖光纖，其中石墨烯與纖芯泄露出的倏逝波相互作用，但由于相互作用距離僅為微米量級(jí)，難以實(shí)現(xiàn)高的絕對(duì)調(diào)制深度。因此，2019年，劉忠范院士團(tuán)隊(duì)首次采用化學(xué)氣相沉積方法在米級(jí)長(zhǎng)度的PCF內(nèi)生長(zhǎng)石墨烯。然后將離子液體完全填充在石墨烯光纖孔洞中(圖7b)52。填充離子液體不僅可以形成雙電層，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯費(fèi)米能級(jí)的調(diào)控，還可增加模場(chǎng)面積，將石墨烯與光的相互作用從5 dB·cm-1提升至24 dB·cm-1。該器件在低柵壓(2 V)下顯示出寬帶響應(yīng)(1150-1600 nm)和較大調(diào)制深度(1550 nm下20 dB·cm-1)，如圖7c所示。這為全光纖系統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)開辟了新的方向。

基于此，2020年，劉忠范院士團(tuán)隊(duì)在理論上設(shè)計(jì)了一種PCF內(nèi)石墨烯/hBN/石墨烯夾層的全光纖電光調(diào)制器159。該調(diào)制器在保證寬帶響應(yīng)(1260-1700 nm)和大調(diào)制深度(1550 nm下42 dB·mm-1)的同時(shí)，將調(diào)制速度從16 Hz提升至100 MHz。這為全光纖系統(tǒng)提供了一種全新的設(shè)計(jì)思路。

上述石墨烯復(fù)合光纖電光調(diào)制器包含集成的電極電路部分，涉及電容、電阻、寄生電阻和寄生電容等。因此，調(diào)制速率受限于電路結(jié)構(gòu)的RC常數(shù)，通常最高只能達(dá)到幾GHz。然而，石墨烯在理論上具備500 GHz調(diào)制速率的潛力，基于電學(xué)的結(jié)構(gòu)已很難再突破高百吉赫茲量級(jí)。為了突破速率限制，2018年Song團(tuán)隊(duì)提出了一種基于石墨烯復(fù)合微納光纖的高速行波全光纖電光調(diào)制器160。該調(diào)制器在低電壓(4.9 V)和低光損耗(1.6 dB)的條件下，實(shí)現(xiàn)了82 GHz的高調(diào)制速率。

調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)可以改變其對(duì)光的吸收，同時(shí)也能夠影響其激發(fā)出的太赫茲等離激元的頻率161。在2022年，Yao等人成功將石墨烯復(fù)合到側(cè)剖光纖中，并通過(guò)差頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全光激發(fā)石墨烯太赫茲等離激元45。隨后，通過(guò)調(diào)節(jié)柵壓，精確地控制差頻的相位匹配，實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯等離激元在寬頻帶內(nèi)(0-50 THz)不同頻率響應(yīng)的可調(diào)節(jié)性。這項(xiàng)研究為基于二維材料復(fù)合光纖的太赫茲領(lǐng)域提供了新的理解，為高速集成光電計(jì)算開辟了新的道路。

除了石墨烯，其他二維材料也可以與光纖復(fù)合，用于電光調(diào)制，并將調(diào)制帶寬拓寬至可見光波段。在2020年，Sazio團(tuán)隊(duì)在反諧振光纖內(nèi)沉積了MoS2，通過(guò)施加1500 V的電壓，實(shí)現(xiàn)了在744 nm處的最大調(diào)制深度為3.52 dB162。盡管該方法對(duì)電壓的要求較高，但展示了在可見光波段具備良好的全光纖電光調(diào)制和操作潛力。

在二維材料復(fù)合光纖電光調(diào)制領(lǐng)域，除了通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓來(lái)改變材料折射率虛部以實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制外，還可以利用電光克爾效應(yīng)或電光普克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。電光克爾效應(yīng)中，材料的折射率變化與外加電場(chǎng)的平方成二次關(guān)系，而電光普克爾效應(yīng)則與外加電場(chǎng)成線性關(guān)系。電光普克爾效應(yīng)是二階非線性效應(yīng)，在破缺中心反演對(duì)稱性的材料體系中才會(huì)存在。由于電光調(diào)制中的折射率實(shí)部變化通常較小，因此這些效應(yīng)一般在光纖干涉環(huán)形腔中得到應(yīng)用。

鈮酸鋰是一種具有優(yōu)異電光效應(yīng)的鐵電材料，被譽(yù)為光學(xué)領(lǐng)域的“硅基半導(dǎo)體”，但是其塊體形態(tài)的電光調(diào)制器需要高電壓驅(qū)動(dòng)和大尺寸結(jié)構(gòu)，限制了其應(yīng)用。2015年Rao等人163將鈮酸鋰納米顆粒涂在Y型耦合光纖的分支處，首次制成了基于納米鈮酸鋰的光纖電光調(diào)制器。當(dāng)施加電壓時(shí)，由于鈮酸鋰納米顆粒涂層的折射率改變，輸入的光信號(hào)會(huì)在Y型耦合光纖的分支處偏向一個(gè)輸出端口，而另一個(gè)輸出端口則幾乎沒(méi)有輸出?？梢岳秒妷旱拈_關(guān)來(lái)控制輸出端口的光信號(hào)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的開關(guān)。這為集成電子學(xué)提供了一種實(shí)用的電光調(diào)制和開關(guān)解決方案。

2020年Rao等人在此基礎(chǔ)上，制備了一種由二維氧化鎂(MgO)納米片與實(shí)心光纖復(fù)合而成的電光調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7d所示164。當(dāng)外加電場(chǎng)作用于MgO納米片時(shí)，利用電光效應(yīng)使其折射率橢球發(fā)生變形，從而引起雙折射現(xiàn)象(圖7e)。當(dāng)垂直入射到光纖端面的光在MgO納米片上反射后，會(huì)發(fā)生偏折，并在干涉腔內(nèi)產(chǎn)生波長(zhǎng)位移(圖7f)。這是首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了二維MgO納米片在近紅外電光調(diào)制和開關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，其線性波長(zhǎng)位移靈敏度高達(dá)12.87 pm·V-1。相比之前基于鈮酸鋰納米顆粒復(fù)合光纖電光調(diào)制的2.07 pm·V-1有了更高的靈敏度，此外MgO也比鈮酸鋰具有更高的折射率、更低的損耗和更好的熱穩(wěn)定性，所以這一工作為基于新型二維金屬氧化物的復(fù)合光纖電光調(diào)制器的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了新的思路。

綜上，在二維材料中，由于其原子層厚度的結(jié)構(gòu)特性，電子在垂直于二維平面的方向上受到強(qiáng)烈限制，并且具有相對(duì)較低的態(tài)密度。這使得二維材料對(duì)能帶結(jié)構(gòu)和由電光效應(yīng)引起的折射率變化對(duì)外部電場(chǎng)非常敏感。因此，利用二維材料進(jìn)行光調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)更低的功耗和更好的調(diào)制深度。然而，在制備二維材料復(fù)合光纖的過(guò)程中，引入電極的步驟相對(duì)較為復(fù)雜，而且器件工藝也較為繁瑣。為了擴(kuò)大二維材料復(fù)合光纖的應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)化制備工藝顯得尤為重要。通過(guò)改進(jìn)制備工藝，我們可以更高效地制備二維材料復(fù)合光纖，從而使其在電光調(diào)制方面得到更廣泛的應(yīng)用。這將為相關(guān)領(lǐng)域帶來(lái)巨大的潛力和機(jī)遇。

4 二維材料復(fù)合光纖熱光調(diào)制

熱光效應(yīng)是指材料的折射率隨溫度發(fā)生明顯變化的過(guò)程，材料折射率的微小變化可以通過(guò)Mach-Zehnder干涉儀或結(jié)型諧振結(jié)構(gòu)(MKR)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的強(qiáng)度或相位調(diào)制。基于電光效應(yīng)的器件通常采用類似電容的配置，制造流程復(fù)雜且產(chǎn)率較低，限制了其在大規(guī)模光互連中的應(yīng)用?？紤]到硅材料具有較大的熱光系數(shù)(1.8×10-4K-1)，熱光調(diào)制器在硅光子學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用165-170。

值得注意的是，二維材料在室溫下具有良好的導(dǎo)熱性能，例如石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W·m-1·K-1，比砷化鎵高出約100倍171，具有快速傳熱的能力。以石墨烯為例，當(dāng)施加100 mW的電功率時(shí)，可以引起約12 °C的快速溫度變化172。因此，石墨烯輔助的熱光調(diào)制器成為電容類調(diào)制器的理想替代方案。例如，Gan等人提出了一種利用石墨烯光纖進(jìn)行熱光調(diào)制的方法173。將石墨烯復(fù)合微納光纖插入Mach-Zehnder干涉儀的一只臂中，通過(guò)石墨烯與微納光纖(圖8a)的倏逝場(chǎng)相互作用產(chǎn)生焦耳熱，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制(圖8b)。結(jié)果表明，在5.3 mW的980 nm泵浦光作用下，觀察到干涉條紋出現(xiàn)0.024 nm的藍(lán)移，表明泵浦光在5 mm長(zhǎng)的光纖中引起了0.51π的相移。當(dāng)泵浦光功率增加到230 mW時(shí)，相移達(dá)到最大值21π，響應(yīng)時(shí)間的上升時(shí)間為4 ms，下降時(shí)間為1.4 ms(圖8c)。除了石墨烯，其他二維材料如Ti3C2Tx174、WS2175和BP176也已被應(yīng)用于基于Mach-Zehnder干涉儀的熱光開關(guān)。

圖8 二維材料復(fù)合光纖熱光調(diào)制Fig.8 Two-dimensional material hybrid fiber thermal-optic modulation.

相較于Mach-Zehnder干涉儀，基于光纖的結(jié)型諧振結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如低損耗、易于制造等。近期，Wu等人采用MXene材料(Ti2CTx)在結(jié)型諧振環(huán)上進(jìn)行沉積，設(shè)計(jì)了一種熱光調(diào)制器(圖8d)177。在材料沉積后，器件的損耗增加，導(dǎo)致總透射光譜減少。此外，沉積后的MXene材料會(huì)引起結(jié)型諧振結(jié)構(gòu)的有效折射率和諧振環(huán)直徑變化，從而導(dǎo)致共振波長(zhǎng)發(fā)生變化，模式由耦合狀態(tài)變?yōu)榕R界耦合狀態(tài)，導(dǎo)致最大消光比發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的自由光譜范圍(FSR)為0.53 nm，消光比為12.9 dB，轉(zhuǎn)換效率為0.196 π·mW-1。與Mach-Zehnder干涉儀類似，該熱光調(diào)制器件中也可實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。通過(guò)測(cè)量輸出信號(hào)波形，觀察到調(diào)制周期為10 ms，占空比為50%(圖8e)。這與泵浦光相一致，表明信號(hào)光已經(jīng)成功地被泵浦光進(jìn)行調(diào)制。

基于二維材料的熱光調(diào)制器受限于熱擴(kuò)散的速度，導(dǎo)致其相較全光、電光調(diào)制器響應(yīng)速度較慢，但其在實(shí)現(xiàn)緊湊、簡(jiǎn)單和靈活的復(fù)合光纖系統(tǒng)器件方面具有重要作用。熱光調(diào)制器適用于那些不需要高調(diào)制速度的應(yīng)用。此外，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，以及對(duì)具有優(yōu)異熱性能的二維材料的探索，可以提高熱光調(diào)制器的性能。

5 總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)梳理和總結(jié)了二維材料復(fù)合光纖在光調(diào)制領(lǐng)域的研究進(jìn)展。根據(jù)不同的調(diào)制原理，可將其分為全光調(diào)制、電光調(diào)制和熱光調(diào)制，本文詳細(xì)闡述了二維材料與光纖復(fù)合的方法，以及它們的光調(diào)制過(guò)程原理和應(yīng)用。首先，針對(duì)二維材料復(fù)合光纖的全光調(diào)制，我們進(jìn)一步細(xì)分為基于復(fù)折射率實(shí)部的光學(xué)參量轉(zhuǎn)換，以及基于復(fù)折射率虛部的被動(dòng)鎖模、全光開關(guān)、超連續(xù)光譜展寬和偏振控制。我們總結(jié)了全光調(diào)制的特點(diǎn)，即調(diào)制速度快，但受材料吸收的限制，導(dǎo)致絕對(duì)調(diào)制深度較低。然后，對(duì)于二維材料復(fù)合光纖的電光調(diào)制，我們將其分為基于復(fù)折射率實(shí)部的電光普克爾效應(yīng)與電光克爾效應(yīng)和基于復(fù)折射率虛部的電致光吸收效應(yīng)。我們總結(jié)了電光調(diào)制的特點(diǎn)，其絕對(duì)調(diào)制深度高，但受光纖微納加工兼容性的限制，導(dǎo)致工藝繁瑣和器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。最后，對(duì)于二維材料復(fù)合光纖的熱光調(diào)制，我們重點(diǎn)介紹了基于溫度改變復(fù)折射率的熱光效應(yīng)。我們總結(jié)了熱光調(diào)制的特點(diǎn)，即器件簡(jiǎn)單易于集成，但受熱擴(kuò)散時(shí)間尺度較長(zhǎng)(微秒至毫秒級(jí))的限制，導(dǎo)致調(diào)制速度相對(duì)較慢。

近年來(lái)，隨著具有多種功能的光纖與性能優(yōu)異的二維材料的不斷融合，帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)和機(jī)遇，對(duì)于二維材料復(fù)合光纖器件的制備工藝可以考慮以下幾個(gè)方面：(1)首先，二維材料與光纖的復(fù)合主要通過(guò)轉(zhuǎn)移和直接生長(zhǎng)方法實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)移方法方面，人們應(yīng)避免濕法轉(zhuǎn)移引入雜質(zhì)影響調(diào)制效果，干法轉(zhuǎn)移方法則需要提高制備效率和成品率。光纖表面或孔內(nèi)壁直接生長(zhǎng)二維材料的方法的主要挑戰(zhàn)在于光纖本身二氧化硅材質(zhì)缺乏催化性不利于二維材料生長(zhǎng)以及光纖的非晶特性導(dǎo)致形核率低的問(wèn)題，所以需要發(fā)展二維材料的單晶尺寸和晶疇大小穩(wěn)定可控的制備方法以及二維材料復(fù)合光纖的表征技術(shù)。(2)其次，由于通過(guò)CVD高溫生長(zhǎng)的二維材料復(fù)合光纖易受損，需要探索更溫和的生長(zhǎng)環(huán)境或更耐高溫的光纖材質(zhì)。(3)最后，目前絕大多數(shù)工作仍基于單一材料與光纖的復(fù)合?？梢蕴剿髟诠饫w上轉(zhuǎn)移或生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更出色的調(diào)制性能和更多的功能。為了推動(dòng)二維材料復(fù)合光纖的實(shí)際應(yīng)用和性能提升，我們認(rèn)為未來(lái)的發(fā)展方向可以從以下幾個(gè)方面著手。(1)首先，目前很多研究?jī)H停留在理論設(shè)計(jì)、概念驗(yàn)證或原型階段，其真正使用時(shí)的性能距替代傳統(tǒng)器件還比較遙遠(yuǎn)。所以，在未來(lái)的發(fā)展中應(yīng)多考慮其實(shí)際應(yīng)用所面臨的具體問(wèn)題，以更好地解決目前傳統(tǒng)器件所存在的痛點(diǎn)問(wèn)題。這樣可以提高器件的可靠性和可重復(fù)性。(2)其次，光纖本身是一種可以批量化拉制的體系，然而與二維材料復(fù)合的手段絕大多數(shù)并不可以批量化實(shí)現(xiàn)。所以，在設(shè)計(jì)器件的過(guò)程中應(yīng)盡量減少工藝流程并且提高制作過(guò)程的產(chǎn)品良率。這樣可以降低器件的成本和復(fù)雜度。(3)最后，很多二維材料受環(huán)境影響很大，常見的比如黑磷與TMD等材料在空氣中十分不穩(wěn)定。所以，在設(shè)計(jì)器件時(shí)應(yīng)考慮封裝或制作保護(hù)層等手段以提高器件的穩(wěn)定性。這樣可以拓展器件的功能和應(yīng)用范圍。

全光纖系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。二維材料憑借其獨(dú)特物性，在與光纖復(fù)合形成的二維材料復(fù)合光纖及其器件中表現(xiàn)出非常出色的性能。隨著對(duì)光通信和光信息處理需求不斷增長(zhǎng)，全光纖器件有望成為滿足高速、高帶寬數(shù)據(jù)傳輸需求的關(guān)鍵技術(shù)。在光纖結(jié)構(gòu)方面，側(cè)剖光纖、光子晶體光纖和微納光纖等各種新型光纖的出現(xiàn)為光纖的應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)了廣闊的發(fā)展空間。這些不同結(jié)構(gòu)的光纖可以與二維材料以多種方式復(fù)合，實(shí)現(xiàn)低損耗、寬波段和高速度的全光纖光調(diào)制器。端面復(fù)合、側(cè)剖復(fù)合和孔內(nèi)壁復(fù)合是常見的復(fù)合方式，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用范圍。隨著制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們可以預(yù)期在光纖領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)更多創(chuàng)新和多功能的全光纖器件，推動(dòng)全光纖系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和普及。

當(dāng)談及全光纖器件的未來(lái)發(fā)展方向時(shí)，我們可以想象一個(gè)美妙的未來(lái)景象：在某一天，所有光纖器件都將變?yōu)槿饫w型的二維材料光纖器件。這些器件涵蓋了傳感器、調(diào)制器、激光器、探測(cè)器、光限制器、偏振器、相位延遲器、光頻梳、光柵等眾多功能。通過(guò)將這些功能集成在一根光纖之中，我們能夠?qū)崿F(xiàn)更為高效和緊湊的光通信以及光信息處理系統(tǒng)。這一愿景令人激動(dòng)，激發(fā)著人們的無(wú)限想象力和創(chuàng)造力，它展現(xiàn)了未來(lái)全光纖器件的無(wú)限潛力。無(wú)論是用于傳感應(yīng)用、調(diào)制光信號(hào)，還是用于產(chǎn)生高質(zhì)量的激光光源，這些全光纖型的二維材料光纖器件將引領(lǐng)著通信技術(shù)的革命。同時(shí)，它們的集成設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)了空間和能源的高效利用，為光通信和光信息處理領(lǐng)域帶來(lái)革命性的突破。

本綜述為全光纖調(diào)制器的材料、結(jié)構(gòu)和原理的發(fā)展提供了有益的參考，旨在推動(dòng)二維材料復(fù)合光纖在光調(diào)制領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。通過(guò)持續(xù)的創(chuàng)新和探索，我們期望科學(xué)家們能夠?qū)崿F(xiàn)更高性能、更可靠的全光纖光通信系統(tǒng)，以滿足不斷增長(zhǎng)的通信需求，促進(jìn)人類社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展。

Author Contributions:Kaifeng Lin,Writing - Abstract,Introduction,Electro-optic modulation,Summary and prospect.Typesetting figure - 1,2,3,7,Correction format;Ding Zhong,Writing - Polarization control,Thermo-optical modulation.Typesetting figure - 6,8;Jiahui Shao,Writing - Passive mode locking and all-optical switch,Optical parameter conversion and supercontinuum spectrum broadening.Typesetting figure - 4,5;Kaihui Liu,Validation,Conceptualization,Funding Acquisition;Jinhuan Wang,Supervision,Polish,Modify format;Yonggang Zuo,Supervision,Polish,Modify format;Xu Zhou,Conceptualization,Funding Acquisition,Supervision,Polish,Modify format.