二維材料復合光纖調(diào)制器件研究進展

林凱風，鐘叮，邵嘉惠，劉開輝，王金煥，左勇剛，周旭

1 北京大學前沿交叉學科研究院，人工微結構與介觀物理國家重點實驗室，北京 100871

2 中國人民大學物理學系，北京 100872

3 北京大學物理學院，人工微結構與介觀物理國家重點實驗室，北京 100871

4 昆明理工大學冶金與能源工程學院，省部共建復雜有色金屬資源清潔利用國家重點實驗室，昆明 650031

5 華南師范大學物理學院，廣東省量子調(diào)控工程與材料重點實驗室，廣州 510006

6 華南師范大學物理前沿科學研究院，粵港量子物質(zhì)聯(lián)合實驗室，廣州 510006

1 引言

通信技術伴隨著人類社會的發(fā)展而不斷演進。從最早的口耳相傳、驛馬飛鴿，到后來的電報電話，再到如今信息時代的互聯(lián)網(wǎng)和移動通信，人們目睹了通信技術的蓬勃發(fā)展和巨大影響。隨著科技的飛速發(fā)展，各種應用如4K直播、遠程醫(yī)療、萬物互聯(lián)和人工智能等迅速興起，推動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的互聯(lián)規(guī)模呈指數(shù)級增長。在信息時代的快速發(fā)展下，傳統(tǒng)的通信方式已經(jīng)無法滿足日益增長的數(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)來應對這一挑戰(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，已經(jīng)被廣泛應用于長距離、高速和大容量的數(shù)據(jù)傳輸1。因此，以光纖為載體，通過傳輸光子進行互聯(lián)的光通信技術正在逐漸成為當代信息通訊的基礎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、檢測器(解調(diào)器)、信號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)器等往往基于電學和光電子學器件。當光通過這些器件的時候，其高速和寬帶傳輸過程會被打斷，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，以確保光信號在光纖傳輸過程中的調(diào)制、放大和探測不會中斷。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單元，為了實現(xiàn)信號的轉換和傳輸，需要使用耦合裝置將它們連接起來，這增加了系統(tǒng)的復雜性和成本，并可能引入額外的損耗和信號失真3。為了解決這些問題，可將光調(diào)制器與光纖復合成為全光纖型調(diào)制器，實現(xiàn)高效的光耦合，降低信號損耗和失真，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。然而，傳統(tǒng)的光纖結構和體材料特點限制了光調(diào)制器與光纖的全光纖化復合。因此，尋找新型的光纖結構與材料，探索全光纖型調(diào)制器的復合方法成為當前一個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，以石墨烯為代表的二維原子晶體材料在光調(diào)制領域引起廣泛關注4-20，為全光纖型器件的發(fā)展提供新的設計思路與策略，同時也帶來機遇與挑戰(zhàn)21-27。二維材料在光調(diào)制方面具有天然優(yōu)勢：(1)二維材料種類繁多，結構豐富，具備與體材料迥異的新奇光電性能，應用場景更加豐富28；(2)二維材料的光學響應范圍廣，可覆蓋紫外至太赫茲波段，因此能夠實現(xiàn)寬頻帶的光學調(diào)制。這意味著二維材料可以在不同波長范圍內(nèi)對光信號進行有效的控制，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15000 cm2·V-1·s-130，低溫(1.5 K)遷移率高達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外界作用的響應時間非常短，可用于實現(xiàn)高速光信號調(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非線性極化率，與之關聯(lián)的多種非線性效應可用于各種光調(diào)制過程。這意味著二維材料在與光進行相互作用過程中可以實現(xiàn)高效的光信號控制，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的單層或少層薄片結構。憑借原子級厚度的結構有利于與其他光學和電學結構復合，避免了晶格失配問題，擁有廣泛的應用潛力(圖2)。所以，二維材料可與其他材料或器件進行靈活的組合，實現(xiàn)多功能和多結構的光學調(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。

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)制過程與其復折射率(n?=n+ik)密切相關。其中，實部n決定了光在介質(zhì)中的傳播過程，對應于對光的色散和相位調(diào)制；虛部k決定了光在介質(zhì)中的吸收過程，對應于對光幅值的調(diào)制。通過改變外部環(huán)境中的光場、電場和溫度等因素可以調(diào)控二維材料的復折射率18,29?；诙S材料的光學調(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。這三種方法分別對應全光調(diào)制、電光調(diào)制和熱光調(diào)制。全光調(diào)制和電光調(diào)制可以通過改變載流子分布來調(diào)節(jié)復折射率的虛部，進而影響光的吸收，實現(xiàn)光的幅值調(diào)制。另外，非線性光學參量過程利用復折射率的實部實現(xiàn)頻率調(diào)控。電光普克爾效應和電光克爾效應利用復折射率的實部實現(xiàn)相位調(diào)制。與電學和光學調(diào)制過程相比，二維材料本身的熱光調(diào)制過程較弱。因此，二維材料的熱光調(diào)制過程常常將熱量傳導至波導或襯底，改變整個結構的折射率，之后再通過干涉或諧振結構最終實現(xiàn)對信號光的相位調(diào)制。所以基于二維材料出色的光調(diào)制性能，可以將其與不同結構的光纖進行復合，實現(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世紀末到21世紀初，光纖結構的設計與制造技術經(jīng)歷了蓬勃發(fā)展，各種新型光纖如側剖光纖(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。這些新型光纖結構在光學傳輸模式、色散和非線性效應等方面各具獨特優(yōu)勢，拓展了光纖的應用領域。基于各種不同光纖結構，二維材料能夠以不同方式與其進行復合以實現(xiàn)對光的調(diào)制(如圖3所示)。(1)端面復合是將二維材料轉移或生長在光纖端面上的一種簡單且常見的復合方式。大部分采用普通單模或者多模光纖進行端面復合，且光纖端面作為天然的平面可以較好兼容微納加工工藝，制作各種復雜光學結構和電學結構。這種復合方式可以最大限度地減少二維材料對光傳輸模式的影響。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(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)，導致其絕對調(diào)制深度往往比較小27,44。(2)側剖復合和拉錐復合方式是先精確加工制備特定尺寸的側剖光纖或拉錐微納光纖，然后將二維材料生長或轉移至光纖的側剖面或拉錐區(qū)域。在這種復合方式中，光通過纖芯進行傳輸，并通過倏逝場與二維材料相互作用。這種相互作用的強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)，可以顯著增強光與物質(zhì)之間的相互作用強度。然而，側剖復合和拉錐復合的制備工藝相對復雜，難以實現(xiàn)大規(guī)模制備45-48。(3)孔內(nèi)壁復合方式是通過化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)等方法在光子晶體光纖、反諧振光纖或毛細管等光纖的空氣孔內(nèi)壁上生長二維材料。原子級厚度的二維材料既不會破壞光纖傳輸模式，又可以賦予光纖更多二維材料的奇特物性，與多孔或空心結構一同實現(xiàn)傳統(tǒng)光纖或傳統(tǒng)二維材料無法實現(xiàn)的獨特功能。然而，這種復合方法受限于光纖空氣孔的微小尺寸，其內(nèi)部生長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合光纖在全光、電光和熱光調(diào)制領域的過程與應用。全光調(diào)制方面，我們將介紹基于折射率虛部的被動鎖模與全光開關、超連續(xù)光譜展寬與偏振控制，以及基于折射率實部的光學參量轉換過程。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和基于實部的電光克爾與電光普克爾效應。隨著二維材料復合光纖領域的不斷發(fā)展，我們可以期待在光通信光信息處理等領域中出現(xiàn)更多創(chuàng)新和多功能的全光纖器件，為人類社會的通信技術和科技發(fā)展帶來更大的推動力。

2 二維材料復合光纖全光調(diào)制

近些年，基于二維材料復合光纖的全光調(diào)制過程逐漸引起人們的關注和研究，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，為實現(xiàn)信號處理的全光通信提供一種全新的設計思路和理念。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54、光學參量轉換器50和偏振控制器46等多種器件領域。這些器件主要利用二維材料的強非線性光學響應，尤其是與三階非線性極化率相關的光學過程，而非線性極化率可用復折射率和非線性系數(shù)進行表示。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)制中起著關鍵作用，例如實現(xiàn)激光器被動鎖模的可飽和吸收效應。而實部Re(χ(3))則負責非線性參量過程，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、快速響應和小型尺寸的特點，使其適用于緊湊、集成的全光學調(diào)制應用。

2.1 被動鎖模器與全光開關

根據(jù)信號光由自身或其他光束進行調(diào)制，基于吸收的全光調(diào)制過程可分為被動調(diào)制和主動調(diào)制，分別對應于可飽和吸收器和全光開關兩種類型。

可飽和吸收器是指具有對入射光的吸收率隨著入射功率的增大而減小，直至達到飽和現(xiàn)象的材料。它是一種利用非線性效應產(chǎn)生超短脈沖的被動光調(diào)制器件，常用于實現(xiàn)鎖模激光輸出。在被動鎖模過程中，可飽和吸收器對入射脈沖的峰值部分具有較高的透過率，而脈沖邊沿部分的透過率較低。入射光多次經(jīng)過可飽和吸收器，脈沖不斷變窄，直到與群速度色散引起的脈沖展寬達到平衡，從而形成脈沖寬度在皮秒或飛秒量級的超短脈沖。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62,63等領域廣泛應用。

傳統(tǒng)的可飽和吸收器通常是分子束外延生長的半導體可飽和吸收鏡(Semiconductor Saturable Absorption Mirror，SESAM)64，它廣泛應用于半導體激光器、超快光纖激光器和固體激光器中。然而，半導體可飽和吸收鏡也有其自身的局限性，包括恢復時間長(皮秒級)、窄帶工作(＜ 100 nm)、體積較大和制作工藝復雜18,53,55。此外，半導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耦合器在自由空間耦合，采用透鏡等分立的光學元件。這種“光纖-耦合器-晶體-耦合器-光纖”的結構往往導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鎖模光纖激光器的研究方向和目標。

二維材料具有明顯的可飽和吸收特性(圖4a)，當一束光子能量大于帶隙的光入射二維材料時，價帶電子吸收入射光子被激發(fā)到導帶中，在亞皮秒內(nèi)，光生載流子很快被熱化，建立熱費米-狄拉克分布，熱化的載流子被帶內(nèi)散射效應冷卻，最終通過電子-空穴復合達到平衡的載流子分布。這一過程是發(fā)生在低強度光激發(fā)下的線性吸收過程，光子被吸收，透射率降低。在高激發(fā)強度下，光生載流子使導帶和價帶邊緣附近的態(tài)被填充，由于泡里阻塞效應阻礙了對光的進一步吸收，大量光子透過，透射率增大。與常見的半導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、超短弛豫時間和可控調(diào)制深度等優(yōu)點44,66-68。此外，二維材料易與光纖復合的特點對于構建全光纖鎖模激光器具有重要意義69,70?；诙S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合27,44、側拋或拉錐復合71和孔內(nèi)壁復合72,73。

圖4 二維材料復合光纖被動鎖模和全光開關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現(xiàn)最佳匹配。2009年，Bao等人最早將石墨烯薄膜轉移在光纖端面作為可飽和吸收器，實現(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厚的復合材料，并用光纖法蘭將其夾在兩根光纖跳線之間。通過這種方式，他們獲得了脈沖持續(xù)時間更短(約464 fs)的脈沖序列，并在多個波長下測量了飽和吸收曲線，證實了石墨烯的可飽和吸收特性27。

隨后，各種二維材料被應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)時間、重復頻率和輸出功率等。2015年，Sotor等人設計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)時間縮短至88 fs74。為了實現(xiàn)更高的脈沖重復頻率，人們通常會采用較短的激光諧振腔體設計。Martinez等人報道了一種基于10 mm長的光纖法布里-珀羅腔和石墨烯可飽和吸收器的鎖模激光器，重復頻率可達9.67 GHz75。

除了石墨烯，其他二維材料如過渡金屬硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides，TMD)50,76,77、拓撲絕緣體78-80、黑磷81-83和GaSe84,85也被用于鎖模激光器以實現(xiàn)更大的調(diào)制深度或更高的激光損傷閾值，以便實現(xiàn)高功率超短脈沖輸出。2020年，劉忠范院士團隊通過兩步CVD法在PCF中生長MoS2。他們成功制備了具有較高調(diào)制深度(10%)和飽和峰強(0.8 MW·cm-2)的MoS2-PCF可飽和吸收器，其性能與常規(guī)半導體可飽和吸收鏡相當(圖4b)。利用該可飽和吸收器，他們構建了全光纖鎖模激光器(圖4c)，輸出功率6 mW，脈沖寬度500 fs，重復頻率41 MHz(圖4d)50。此外，Lee等人將黑磷轉移至側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用波長范圍上存在差異。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。首先，二維材料復合光纖可飽和吸收器具有寬廣的工作波長范圍，適用于多種波長的激光器，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間，二維材料中的載流子可以在飛秒或皮秒的時間尺度內(nèi)弛豫。但是也存在一些問題，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)時間(接近或甚至小于100 fs74,95)和寬調(diào)諧波長的激光器，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靜電摻雜，化學摻雜等方式調(diào)控，而且可以通過機械剝離、液相剝離、化學氣相沉積等多種方法制備，易與光纖和波導等光子結構集成。綜上，二維材料復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89-93。

除了被動鎖模所使用的可飽和吸收器，全光調(diào)制中的主動光調(diào)制器或全光開關也逐漸受到人們的關注。全光開關是一種通過介質(zhì)的非線性光學效應來實現(xiàn)光調(diào)制光的器件。近年來，基于二維材料的電光調(diào)制器利用電調(diào)諧費米能級實現(xiàn)了電控光，然而它們的工作帶寬受到驅動電路響應速度的限制，往往被限制在10 GHz量級。相比之下，全光開關的響應時間僅受材料固有載流子弛豫時間的限制，因此可以實現(xiàn)更大的帶寬(＞100 GHz)96。因此，全光開關作為一種全光調(diào)制方案，沒有電-光-電轉換的過程，其工作功耗更低，在高帶寬、低功耗等方面具有巨大潛力。

全光開關通過利用具有高光子能量(短波長)的開關光對具有低光子能量(長波長)的信號光進行調(diào)制，實現(xiàn)了信號光吸收的“開”和“關”的調(diào)控。當信號光入射二維材料時，材料吸收部分信號光導致其衰減，透過率降低。然而，當引入光子能量高于二維材料費米能級兩倍的開關光時，它將激發(fā)電子從價帶躍遷至導帶，而帶間躍遷引發(fā)的泡利阻塞效應將吸收閾值轉移到更高的能量區(qū)域導致信號光的衰減減少，透過率增大(圖4e)。全光開關的關鍵性能指標包括響應時間、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合且開關光引起的折射率變化很小，光纖的波導模式不會明顯改變，因此人們研制了結構緊湊的二維材料復合光纖全光開關。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97。然而，由于石墨烯與光之間的相互作用不夠充分，該結構實現(xiàn)高調(diào)制深度需要較高功率的開關光和信號光。在2014年，Li等人報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、長度為2 mm的單模微納光纖上(圖4f)54。當1.55 μm的連續(xù)信號光和1.06 μm的脈沖開關光(＜ 5 ns，2.4 kHz)經(jīng)過石墨烯包覆微納光纖時(圖4g)，在開關光脈沖持續(xù)期間，信號光的吸收損耗減小，從而切換出納秒級的信號脈沖，實現(xiàn)了對信號光的有效調(diào)制(圖4h)。由于石墨烯的光激發(fā)載流子的弛豫時間僅有幾皮秒66，因此所測得的響應時間約為2.2 ps，對應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^使用1064 nm波長的納秒脈沖光作為開關光，對1550 nm的信號光進行全光調(diào)制98。通過增加光與石墨烯之間的相互作用強度，Chen等人制作了立體石墨烯微納光纖結構，其相互作用長度為12 mm，調(diào)制深度為7.5 dB，但插入損耗較高99。通過進一步優(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現(xiàn)良好的平衡。除了微納光纖，側拋光纖也已被應用于全光開關。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拋光纖上，相互作用長度為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材料，例如，2017年，Zhang等人設計了一種將MoSe2與微納光纖復合的全光開關，用405和980 nm的開關光控制1550 nm的信號光，改變開關光功率，信號光分別獲得約2和30 dB的相對功率變化101。原則上，在激發(fā)波長與二維材料帶隙共振時有潛力實現(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。通過改變原子厚石墨烯的費米能級，同時實現(xiàn)了可調(diào)吸收，可控Q因子61。利用TMD實現(xiàn)可見光調(diào)制，或者利用黑磷實現(xiàn)中紅外光調(diào)制102。

在過去的10年中，基于二維材料復合光纖的全光開關取得了很大的進展，實現(xiàn)了高調(diào)制深度，超短響應時間和低開關閾值。全光開關的調(diào)制速度僅受到開關光頻率的限制,響應時間較短一般為皮秒量級，是最有希望達到二維材料理論速度極限的一種調(diào)制器。期望在未來二維材料復合光纖全光開關會成為光通信等領域的基石。

2.2 光學參量轉換與超連續(xù)光譜展寬

全光信號調(diào)制在當代光通信領域展現(xiàn)出巨大的潛力103,104，作為其中一種關鍵的非線性功能器件，光學參量轉換器的工作原理與材料的二階和三階非線性效應密切相關。非線性光學材料通過諸如倍頻、和頻、差頻和四波混頻等效應輸出波長與入射光不同的光?；诠饫w的光學參量轉換器主要是利用光纖的高非線性效應來實現(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107實現(xiàn)了波長轉換，并證明其具有超快的響應速度和寬的工作帶寬等特點，但是要求光纖具有高非線性效應。二維材料復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范圍，并且具備兼容性和穩(wěn)定性的特點，因此在作為高效光學參量轉換器方面具有巨大的潛力50,108。

由于石英光纖的原子結構的中心對稱性，理論上是沒有光纖二階非線性過程產(chǎn)生。二維材料，例如TMD、GaSe，具有非常強的二次諧波產(chǎn)生(SHG)、和頻產(chǎn)生(SFG)和差頻產(chǎn)生(DFG)等二階非線性效應。通過將二維材料與光纖進行復合，可以將二維材料的這些非線性過程賦予光纖，也可以通過光纖的高品質(zhì)波導增強光與二維材料相互作用產(chǎn)生更強的非線性光學效應45,50,108。例如，2019年，Chen等人對WS2復合拉錐光纖中的SHG響應進行了系統(tǒng)研究，獲得了比未轉移WS2的拉錐光纖高20倍以上的SHG信號強度，并證明了應變可以有效地調(diào)控WS2復合拉錐光纖中的SHG109。為了進一步提高轉換效率和獲得更強的SHG信號，2020年，劉忠范院士團隊在25 cm長的空心光纖中生長了單層MoS2，并測試了其SHG和三次諧波產(chǎn)生(THG)效應(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效應均增強了約300倍，能量轉換效率有潛力達到10-4到10-3數(shù)量級(圖5b)50。然而，空心光纖一般具有較大的模場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)相互作用強度，從而限制了轉換效率。因此，Ngo等人于2022年將單層MoS2生長在長度為3.5 mm的懸芯光纖表面，與裸纖進行比較，結果顯示當輸入功率分別為20和80 mW時，MoS2復合懸芯光纖的SHG轉換效率分別增加了1113倍和600倍110。此外，相較于TMD等二維材料，GaSe具有更強的二階非線性效應35，能夠獲得更高的轉換效率，并在可見光到太赫茲波長范圍內(nèi)實現(xiàn)有效的光學頻率轉換111。2020年，Jiang等人在微納光纖上沉積了少層GaSe納米片，由于微納光纖的強倏逝場和GaSe的超高二階非線性效應，僅使用亞毫瓦連續(xù)光激光器就能有效地實現(xiàn)SHG和SFG，并在1500-1620 nm的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)波長調(diào)諧。與裸纖相比，復合了GaSe的微納光纖的SHG強度提高了4個數(shù)量級以上108。

圖5 二維材料復合光纖光學參量轉換和超連續(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的四波混頻是指由兩個或三個波長之間相互作用產(chǎn)生兩個或一個新波長的現(xiàn)象，是相位敏感的參量過程。四波混頻是二維材料復合光纖的另一個重要應用，并廣泛應用于光學參量轉換、光學參量放大和超連續(xù)譜等現(xiàn)代光學領域(圖5c)112。2012年，Xu等人將石墨烯轉移到光纖的端面，利用四波混頻實現(xiàn)了參量轉換，轉換效率達到-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附近實現(xiàn)了4.5 nm的波長調(diào)諧114。2015年，同一團隊優(yōu)化了微納光纖的直徑和接觸距離等參數(shù)，采用改進的石墨烯/微納光纖混合波導，使用波長為1.55 μm的高功率脈沖激光作為泵浦源，實現(xiàn)了多階級聯(lián)的四波混頻。他們使用可調(diào)諧的連續(xù)波信號光，在跨越15 nm以上的范圍內(nèi)產(chǎn)生了數(shù)十條級聯(lián)的四波混頻信號(圖5d)，信號光和泵浦光的失諧范圍可從0調(diào)諧到5 nm，轉換效率高達-20 dB115。然而，石墨烯的低損傷閾值可能限制其在強光與物質(zhì)相互作用的光學參量轉換器中的應用。因此，人們開始使用其他二維材料與光纖結合來實現(xiàn)基于四波混頻的光學參量轉換。例如，使用黑磷116、鉍烯117、銻烯118、MXene(化學通式為Mn+1XnTx，其中n=1-3，M為過渡金屬，如Ti、Zr、V、Mo等；X代表C或N元素，Tx為表面基團，通常為—OH、—O、—F或—Cl)119、拓撲絕緣體120等材料。其中，Chen等人使用了二維拓撲絕緣體Bi2Te3，該材料具有比石墨烯更大的非線性克爾系數(shù)。他們利用光學沉積法在微納光纖上涂覆Bi2Te3，實現(xiàn)了基于四波混頻的光學參量轉換，具有更寬的調(diào)諧范圍(6.4 nm)和轉換效率(-34 dB)，且損傷閾值高于20 dBm120。

二維材料復合光纖光學參量轉換器具有易于與現(xiàn)有通信基礎設施復合的優(yōu)勢，可實現(xiàn)高性能頻率調(diào)制，并在全光信號處理、變頻光纖激光光源和光纖傳感器等領域廣泛應用。

超連續(xù)光譜是指當超短脈沖泵浦光入射到非線性光學材料中時，由于多種非線性效應共同作用，導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長的石英光纖，在泵浦光的長波長側產(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)，光纖主要通過自相位調(diào)制、四波混頻等非線性效應獲得相干性良好的超連續(xù)光譜；而在反常色散區(qū)內(nèi)，還可以通過高階孤子的形成、分裂和色散波等方式迅速實現(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調(diào)控到小于1.3 μm，因此難以利用波長在1 μm左右具有高峰值功率的激光器。為解決這個問題，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為767 nm的長度為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，結合拉錐光纖和級聯(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等元素進行摻雜(圖5e)，或者在PCF孔洞內(nèi)填充氣體133、水134等來提高PCF的非線性系數(shù)并獲得適當?shù)纳⑶€。

此外，人們發(fā)現(xiàn)將二維材料與光纖結合可以提高非線性系數(shù)，促進超連續(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的新型結構，在中心橢圓芯內(nèi)填充了具有高非線性特性的MoS2(圖5f)135。通過模擬驗證，該結構具有超高的非線性系數(shù)(9.68×105W-1·km-1)、適當?shù)纳⑶€和較低的損耗，被認為可用于產(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，并實現(xiàn)跨越多個倍頻程的超連續(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，具有重要的應用價值。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)兼容性強等優(yōu)點。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與光纖的非對稱偏振耦合。然而，這些偏振器通常具有相對較窄的操作帶寬和高損耗，限制了它們的應用潛力。

近年來，石墨烯和TMD等二維材料的光學各向異性和寬帶響應已經(jīng)被廣泛認識，并已用于實現(xiàn)光學偏振器件142,143。其中，基于石墨烯的光纖偏振器具有靈活的結構設計和高消光比等優(yōu)勢，使其在偏振器件領域具有巨大的應用潛力。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分量(TM模式)。同時，通過光纖結構的設計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，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)應用需求進行結構設計，從而實現(xiàn)對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)和光纖傳感器等領域提供了新的可能性和機會。

Bao等人設計了一種基于石墨烯復合側剖光纖的TE偏振模輸出的偏振器，在1550 nm波長處實現(xiàn)了27 dB的高偏振消光比46。通過夠建“金屬電極-電介質(zhì)-石墨烯”的三層結構給石墨烯施加電壓改變其切向電場，實現(xiàn)偏振消光比和輸出偏振態(tài)的調(diào)控(圖6a)。輸出光強的角度依賴分布圖表明：無石墨烯的情況下，該石墨烯光纖輸出為圓偏振光；有石墨烯時其輸出明顯的線偏振光(圖6b)。2015年，Yao等人利用相同結構的偏振器設計了產(chǎn)生相干脈沖的隨機激光器，該脈沖光纖激光器的的單偏振脈沖序列消光比高達 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)依次沉積在側拋光纖上，拋光區(qū)域到纖芯的距離為1 μm。其中，PVB可將側拋表面的倏逝場從纖芯位置“拉拽”出來，明顯增強了光和石墨烯相互作用強度。當入射波長為1550 nm時，該結構具有較大的偏振消光比(37.5 dB)。Li等人采用了類似器件結構，將100 nm厚的黃金沉積到側拋光纖上的石墨烯涂層，側拋區(qū)距離纖芯6 μm，在入射光波長1550 nm處實現(xiàn)了27 dB的偏振器的消光比148。

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

與側拋光纖相比，微納光纖具有更強的倏逝場。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底座中間以保護光纖149。仿真結果表明，在微納光纖的錐區(qū)半徑小于1 μm時，該石墨烯光纖可用作TE模輸出的光纖偏振器。例如，當錐區(qū)半徑為0.8 μm，錐區(qū)長度為3.5 mm時，偏振消光比可達到27 dB。在此基礎上，Zhou設計了一種可切換輸出TE?；騎M模的偏振器(圖6c)150。通過四個電極調(diào)節(jié)在石墨烯層的水平和垂直方向的電壓以調(diào)節(jié)費米能級，一定費米能級下，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)，可以實現(xiàn)在TE和TM模式之間可切換輸出的偏振器。仿真結果表明，偏振器在長度為2.5 mm時實現(xiàn)了17 dB以上的消光比。Kou等人通過將微納光纖環(huán)繞在石墨烯片覆蓋的棒上制作成了偏振器件。與拉錐光纖上轉移石墨烯的方法相比，這種器件制備方法更加簡單，且光與石墨烯相互作用距離更長151。其偏振原理是，平行于石墨烯平面的光吸收較強，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可實現(xiàn)線偏振態(tài)輸出的效果。同時，理論上可以通過在多線圈的螺旋結構下增加光纖和石墨烯的相互作用長度。當單線圈結構時，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。通過使用更長的光纖形成雙線圈結構或多線圈結構，可以增加光纖和石墨烯的接觸，從而增加消光比。

石墨烯復合偏振光纖具有制作簡單、與光纖系統(tǒng)兼容性強和結構靈活等優(yōu)點，在全光纖平臺上光電器件中開辟了廣闊的前景。除了石墨烯外，其他強各向異性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)制器的結構通常由光波導和電極組成。光波導常采用具有較強電光效應的鐵電體，如鈮酸鋰143,156、鈦酸鋇157等。其工作原理是將光纖耦合進波導中，在連接波導的電極上施加與攜帶信息相對應的電壓，以改變光波導中的折射率，從而實現(xiàn)對輸出光強度等參數(shù)的調(diào)制。近年來，在電光調(diào)制領域，二維材料復合光纖展現(xiàn)出其重要性和巨大潛力。通過將二維材料的高響應速度和強電光效應與光纖的低損耗和易集成性的特點相結合，為光通信、光電子以及全光纖激光器等領域提供了引人注目的解決方案。本節(jié)將重點討論二維材料復合光纖在電光調(diào)制中的關鍵優(yōu)勢，并探討其在實際應用中的前景。

作為最具代表性的二維材料之一，石墨烯因其對光的吸收能力可通過對載流子數(shù)量的調(diào)控而改變，在電光調(diào)制領域備受矚目。石墨烯對光吸收的機理包含兩個過程，通常使用Kubo公式進行描述：

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

其中，vF是費米速度，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，通過施加外部偏置電壓可以實現(xiàn)對其費米能級的調(diào)控，導致石墨烯的光電導發(fā)生變化，進而引起其復折射率的虛部發(fā)生改變。這個過程可以直接影響石墨烯對光的吸收特性，從而有效地實現(xiàn)對光幅值的精確調(diào)制。因此，可以利用這種機制來實現(xiàn)對光信號強度的精細控制，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團隊成功制備了一種基于石墨烯復合側剖光纖的電光調(diào)制光纖鎖模激光器47。該研究將石墨烯轉移到光纖側剖面并利用滴涂離子液體覆蓋石墨烯層。當施加柵壓時，離子液體/石墨烯界面形成雙電層，高電容性的雙電層導致石墨烯費米能級顯著變化，從而改變了石墨烯的吸收特性。該器件在低電壓(3 V)下實現(xiàn)了90%的相對電光調(diào)制深度。因此，通過電壓控制，該光纖激光器實現(xiàn)了連續(xù)光、調(diào)Q鎖模和被動鎖模等三種功能。在此基礎上，2020年Yeom團隊將調(diào)制波長范圍從1560 nm附近拓寬至532-1950 nm波段，并在長波長區(qū)域表現(xiàn)出更高的電光調(diào)制效率，最大達到286.3% V-1，為全光纖電光調(diào)制增加了更多的應用場景158。

上述研究中采用的體系均為側剖光纖，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，難以實現(xiàn)高的絕對調(diào)制深度。因此，2019年，劉忠范院士團隊首次采用化學氣相沉積方法在米級長度的PCF內(nèi)生長石墨烯。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，實現(xiàn)對石墨烯費米能級的調(diào)控，還可增加模場面積，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(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，劉忠范院士團隊在理論上設計了一種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(1260-1700 nm)和大調(diào)制深度(1550 nm下42 dB·mm-1)的同時，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計思路。

上述石墨烯復合光纖電光調(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構的RC常數(shù)，通常最高只能達到幾GHz。然而，石墨烯在理論上具備500 GHz調(diào)制速率的潛力，基于電學的結構已很難再突破高百吉赫茲量級。為了突破速率限制，2018年Song團隊提出了一種基于石墨烯復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，實現(xiàn)了82 GHz的高調(diào)制速率。

調(diào)節(jié)石墨烯的費米能級可以改變其對光的吸收，同時也能夠影響其激發(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合到側剖光纖中，并通過差頻技術實現(xiàn)了全光激發(fā)石墨烯太赫茲等離激元45。隨后，通過調(diào)節(jié)柵壓，精確地控制差頻的相位匹配，實現(xiàn)了對石墨烯等離激元在寬頻帶內(nèi)(0-50 THz)不同頻率響應的可調(diào)節(jié)性。這項研究為基于二維材料復合光纖的太赫茲領域提供了新的理解，為高速集成光電計算開辟了新的道路。

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團隊在反諧振光纖內(nèi)沉積了MoS2，通過施加1500 V的電壓，實現(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。

在二維材料復合光纖電光調(diào)制領域，除了通過調(diào)節(jié)偏壓來改變材料折射率虛部以實現(xiàn)幅度調(diào)制外，還可以利用電光克爾效應或電光普克爾效應實現(xiàn)相位調(diào)制。電光克爾效應中，材料的折射率變化與外加電場的平方成二次關系，而電光普克爾效應則與外加電場成線性關系。電光普克爾效應是二階非線性效應，在破缺中心反演對稱性的材料體系中才會存在。由于電光調(diào)制中的折射率實部變化通常較小，因此這些效應一般在光纖干涉環(huán)形腔中得到應用。

鈮酸鋰是一種具有優(yōu)異電光效應的鐵電材料，被譽為光學領域的“硅基半導體”，但是其塊體形態(tài)的電光調(diào)制器需要高電壓驅動和大尺寸結構，限制了其應用。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。當施加電壓時，由于鈮酸鋰納米顆粒涂層的折射率改變，輸入的光信號會在Y型耦合光纖的分支處偏向一個輸出端口，而另一個輸出端口則幾乎沒有輸出?？梢岳秒妷旱拈_關來控制輸出端口的光信號強度，從而實現(xiàn)光信號的開關。這為集成電子學提供了一種實用的電光調(diào)制和開關解決方案。

2020年Rao等人在此基礎上，制備了一種由二維氧化鎂(MgO)納米片與實心光纖復合而成的電光調(diào)制器，其結構示意圖如圖7d所示164。當外加電場作用于MgO納米片時，利用電光效應使其折射率橢球發(fā)生變形，從而引起雙折射現(xiàn)象(圖7e)。當垂直入射到光纖端面的光在MgO納米片上反射后，會發(fā)生偏折，并在干涉腔內(nèi)產(chǎn)生波長位移(圖7f)。這是首次實驗驗證了二維MgO納米片在近紅外電光調(diào)制和開關領域的應用潛力，其線性波長位移靈敏度高達12.87 pm·V-1。相比之前基于鈮酸鋰納米顆粒復合光纖電光調(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合光纖電光調(diào)制器的設計和開發(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構特性，電子在垂直于二維平面的方向上受到強烈限制，并且具有相對較低的態(tài)密度。這使得二維材料對能帶結構和由電光效應引起的折射率變化對外部電場非常敏感。因此，利用二維材料進行光調(diào)制可以實現(xiàn)更低的功耗和更好的調(diào)制深度。然而，在制備二維材料復合光纖的過程中，引入電極的步驟相對較為復雜，而且器件工藝也較為繁瑣。為了擴大二維材料復合光纖的應用場景，優(yōu)化制備工藝顯得尤為重要。通過改進制備工藝，我們可以更高效地制備二維材料復合光纖，從而使其在電光調(diào)制方面得到更廣泛的應用。這將為相關領域帶來巨大的潛力和機遇。

4 二維材料復合光纖熱光調(diào)制

熱光效應是指材料的折射率隨溫度發(fā)生明顯變化的過程，材料折射率的微小變化可以通過Mach-Zehnder干涉儀或結型諧振結構(MKR)實現(xiàn)對信號光的強度或相位調(diào)制?；陔姽庑钠骷ǔ２捎妙愃齐娙莸呐渲茫圃炝鞒虖碗s且產(chǎn)率較低，限制了其在大規(guī)模光互連中的應用。考慮到硅材料具有較大的熱光系數(shù)(1.8×10-4K-1)，熱光調(diào)制器在硅光子學中得到了廣泛應用165-170。

值得注意的是，二維材料在室溫下具有良好的導熱性能，例如石墨烯的導熱系數(shù)高達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，當施加100 mW的電功率時，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行熱光調(diào)制的方法173。將石墨烯復合微納光纖插入Mach-Zehnder干涉儀的一只臂中，通過石墨烯與微納光纖(圖8a)的倏逝場相互作用產(chǎn)生焦耳熱，實現(xiàn)強度調(diào)制(圖8b)。結果表明，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的藍移，表明泵浦光在5 mm長的光纖中引起了0.51π的相移。當泵浦光功率增加到230 mW時，相移達到最大值21π，響應時間的上升時間為4 ms，下降時間為1.4 ms(圖8c)。除了石墨烯，其他二維材料如Ti3C2Tx174、WS2175和BP176也已被應用于基于Mach-Zehnder干涉儀的熱光開關。

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

相較于Mach-Zehnder干涉儀，基于光纖的結型諧振結構具有諸多優(yōu)點，如低損耗、易于制造等。近期，Wu等人采用MXene材料(Ti2CTx)在結型諧振環(huán)上進行沉積，設計了一種熱光調(diào)制器(圖8d)177。在材料沉積后，器件的損耗增加，導致總透射光譜減少。此外，沉積后的MXene材料會引起結型諧振結構的有效折射率和諧振環(huán)直徑變化，從而導致共振波長發(fā)生變化，模式由耦合狀態(tài)變?yōu)榕R界耦合狀態(tài)，導致最大消光比發(fā)生變化。實驗測得的自由光譜范圍(FSR)為0.53 nm，消光比為12.9 dB，轉換效率為0.196 π·mW-1。與Mach-Zehnder干涉儀類似，該熱光調(diào)制器件中也可實現(xiàn)相位調(diào)制。通過測量輸出信號波形，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，表明信號光已經(jīng)成功地被泵浦光進行調(diào)制。

基于二維材料的熱光調(diào)制器受限于熱擴散的速度，導致其相較全光、電光調(diào)制器響應速度較慢，但其在實現(xiàn)緊湊、簡單和靈活的復合光纖系統(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)制速度的應用。此外，通過對結構的進一步發(fā)展和改進，以及對具有優(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 總結與展望

本文系統(tǒng)梳理和總結了二維材料復合光纖在光調(diào)制領域的研究進展。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，本文詳細闡述了二維材料與光纖復合的方法，以及它們的光調(diào)制過程原理和應用。首先，針對二維材料復合光纖的全光調(diào)制，我們進一步細分為基于復折射率實部的光學參量轉換，以及基于復折射率虛部的被動鎖模、全光開關、超連續(xù)光譜展寬和偏振控制。我們總結了全光調(diào)制的特點，即調(diào)制速度快，但受材料吸收的限制，導致絕對調(diào)制深度較低。然后，對于二維材料復合光纖的電光調(diào)制，我們將其分為基于復折射率實部的電光普克爾效應與電光克爾效應和基于復折射率虛部的電致光吸收效應。我們總結了電光調(diào)制的特點，其絕對調(diào)制深度高，但受光纖微納加工兼容性的限制，導致工藝繁瑣和器件結構復雜。最后，對于二維材料復合光纖的熱光調(diào)制，我們重點介紹了基于溫度改變復折射率的熱光效應。我們總結了熱光調(diào)制的特點，即器件簡單易于集成，但受熱擴散時間尺度較長(微秒至毫秒級)的限制，導致調(diào)制速度相對較慢。

近年來，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，帶來了一系列挑戰(zhàn)和機遇，對于二維材料復合光纖器件的制備工藝可以考慮以下幾個方面：(1)首先，二維材料與光纖的復合主要通過轉移和直接生長方法實現(xiàn)。轉移方法方面，人們應避免濕法轉移引入雜質(zhì)影響調(diào)制效果，干法轉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以及光纖的非晶特性導致形核率低的問題，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合光纖的表征技術。(2)其次，由于通過CVD高溫生長的二維材料復合光纖易受損，需要探索更溫和的生長環(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合。可以探索在光纖上轉移或生長異質(zhì)結構，以實現(xiàn)更出色的調(diào)制性能和更多的功能。為了推動二維材料復合光纖的實際應用和性能提升，我們認為未來的發(fā)展方向可以從以下幾個方面著手。(1)首先，目前很多研究僅停留在理論設計、概念驗證或原型階段，其真正使用時的性能距替代傳統(tǒng)器件還比較遙遠。所以，在未來的發(fā)展中應多考慮其實際應用所面臨的具體問題，以更好地解決目前傳統(tǒng)器件所存在的痛點問題。這樣可以提高器件的可靠性和可重復性。(2)其次，光纖本身是一種可以批量化拉制的體系，然而與二維材料復合的手段絕大多數(shù)并不可以批量化實現(xiàn)。所以，在設計器件的過程中應盡量減少工藝流程并且提高制作過程的產(chǎn)品良率。這樣可以降低器件的成本和復雜度。(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，在設計器件時應考慮封裝或制作保護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用范圍。

全光纖系統(tǒng)是未來發(fā)展的一個重要趨勢。二維材料憑借其獨特物性，在與光纖復合形成的二維材料復合光纖及其器件中表現(xiàn)出非常出色的性能。隨著對光通信和光信息處理需求不斷增長，全光纖器件有望成為滿足高速、高帶寬數(shù)據(jù)傳輸需求的關鍵技術。在光纖結構方面，側剖光纖、光子晶體光纖和微納光纖等各種新型光纖的出現(xiàn)為光纖的應用領域帶來了廣闊的發(fā)展空間。這些不同結構的光纖可以與二維材料以多種方式復合，實現(xiàn)低損耗、寬波段和高速度的全光纖光調(diào)制器。端面復合、側剖復合和孔內(nèi)壁復合是常見的復合方式，它們各自具有獨特的特點和適用范圍。隨著制備技術的不斷進步，我們可以預期在光纖領域將會出現(xiàn)更多創(chuàng)新和多功能的全光纖器件，推動全光纖系統(tǒng)的廣泛應用和普及。

當談及全光纖器件的未來發(fā)展方向時，我們可以想象一個美妙的未來景象：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。通過將這些功能集成在一根光纖之中，我們能夠實現(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，激發(fā)著人們的無限想象力和創(chuàng)造力，它展現(xiàn)了未來全光纖器件的無限潛力。無論是用于傳感應用、調(diào)制光信號，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著通信技術的革命。同時，它們的集成設計將實現(xiàn)了空間和能源的高效利用，為光通信和光信息處理領域帶來革命性的突破。

本綜述為全光纖調(diào)制器的材料、結構和原理的發(fā)展提供了有益的參考，旨在推動二維材料復合光纖在光調(diào)制領域的應用和發(fā)展。通過持續(xù)的創(chuàng)新和探索，我們期望科學家們能夠實現(xiàn)更高性能、更可靠的全光纖光通信系統(tǒng)，以滿足不斷增長的通信需求，促進人類社會的進一步發(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.