超高非線性二維材料復合光纖制造取得新進展

劉益春

東北師范大學物理學院，長春 130024

非線性光纖在光通訊、光傳感、光學頻率轉換、超快光纖激光器、光頻梳及超連續激光等眾多領域展現出重要應用前景1–5。然而，目前絕大多數光纖器件都是基于傳統的石英光纖，這些光纖僅具有微弱的三階非線性效應以及接近于零的二階非線性效應，嚴重限制了它在非線性光學領域的應用范圍。目前，提高光纖非線性效應的方法主要分為兩大類：(1)通過優化光纖結構設計，減小光纖的有效纖芯面積，進而提高光纖非線性6–8。(2)通過對傳統石英纖芯進行摻雜(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9–11。但這兩種方法對提升光纖非線性效果有限，且不易規模化生產。因此，開發新型高非線性光纖勢在必行。

近年來，二維材料由于其優異的光電特性、超高非線性系數和原子層厚度，迅速掀起了與光纖光學相結合的交叉學科領域的研究熱潮。大量研究工作通過轉移或涂覆方式將二維材料和光纖結合，實現光纖的功能化應用，例如四波混頻和光電調制。但這種方法一般需要改變光纖結構(例如側剖和拉錐光纖)來實現材料和倏逝波的耦合，往往會影響光纖的傳輸能力，產生額外的傳輸損耗，且不易高質量大規模制備。基于此，北京大學/北京石墨烯研究院劉忠范院士和劉開輝研究員、中國科學院物理研究所白雪冬研究員及其合作者在Nature Nanotechnology發表了題為“Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity”的文章12，報道了分米級超高非線性二維材料復合光纖的制備進展，利用該二維材料復合光纖實現了超高非線性信號的增強(2–3個量級)，并且實現了真正的亞皮秒量級(～500 fs)全光纖鎖模激光器，這些應用結果展示了二維材料復合光纖在非線性光學領域的優異性能和應用前景。

基于北京大學/北京石墨烯研究院前期在米級石墨烯光子晶體光纖的工作積累13，該研究團隊利用兩步化學氣相沉積法在多種類型光纖孔內壁直接生長二維過渡金屬硫族化合物(TMDs)，實現了超高非線性二維材料復合光纖的制備(圖1)。與石墨烯光纖制備不同，TMDs光纖制備更具挑戰性：化學氣相沉積生長TMDs過程，過渡金屬前驅體多為固態(氧化鉬、氧化鎢等)，其飽和蒸汽壓較低，在光纖微結構中無法均勻傳質。即使在低壓情況下，也無法保證前驅體在光纖微結構中的有效傳輸和均勻生長。鑒于此，該研究團隊首次提出一種兩步化學氣相沉積的方法，通過低溫預涂覆過渡金屬前驅體Na2MoO4，并在高溫硫化及生長，成功在光纖孔內壁上直接生長出單層MoS2，并且實現了多種二維TMDs材料及其合金在不同種類規格光纖(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25 cm。

圖1 二維材料復合光纖制備。(a)兩步法化學氣相沉積制備MoS2復合光纖示意圖。(b) 50 μm孔徑石英管光纖中MoS2大單晶光學圖像。(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復合光纖樣品Raman光譜數據統計。

TMDs與光纖中傳輸的光通過倏逝波進行耦合，光纖優異的光波導能力可以大大增加光與物質的相互作用長度，進而提高非線性效應。文章作者分別基于非線性系數的實部和虛部進行了相應的應用研究(圖2)。(1)非線性實部：光頻轉換應用研究，二維材料復合光纖產生了超強的二次和三次諧波，實驗結果發現MoS2復合光纖的非線性信號比平面上MoS2樣品增強～300倍且損傷閾值提高3倍。這為未來設計新型基于光纖的非線性材料提供了一種新的設計思路，結合光纖結構設計的優化，這種新型復合光纖材料有望取代現在常用的非線性晶體，實現非線性光學材料領域重大突破。(2)非線性虛部：全光纖超快脈沖激光研究，利用MoS2復合光纖作為飽和吸收器，實現了全光纖超快脈沖激光輸出，其具有超短脈沖寬度～500 fs，高重復頻率～41 MHz，輸出功率～6 mW的優異性能。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、高性能且可重復制備的飽和吸收器材料，推進了全光纖鎖模激光器的發展和低維材料關鍵而重要的應用。

這一工作開創性地將高非線性二維材料與光纖復合，不僅拓展了二維材料應用領域，同時為光纖器件功能化研究提供了新思路，對新型光電子器件相關領域具備示范和引領作用。該工作所展示的方法不僅可以實現二維TMDs材料與光纖有效集成及規模化制備，同時為新型非線性材料的設計開辟了新領域，對后續超連續光譜、高次諧波以及基于非線性效應的新型光纖通訊提供了材料支撐。可以預見，隨著未來二維材料生長工藝的不斷提高和改進，同時結合光纖結構設計等，可以滿足各種類型的非線性光學和光纖光學研究需求，推動二維材料復合光纖在光電、非線性光學等領域的批量制備和功能化應用。

圖2 二維材料復合光纖的非線性應用。(a) MoS2光纖產生二次諧波和三次諧波示意圖。(b–c) MoS2復合光纖產生的二次諧波(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構示意圖。(e)激光器輸出光譜。(f)激光器輸出脈沖的自相關曲線。