Nature Nanotechnology:二維材料復合光纖獲得超高非線性

【引言】?

非線性光纖已被廣泛應用于光學頻率轉換、超快激光和新型光通信等領域。非線性光纖結合二維（2D）材料的優勢在于：（1）2D材料原子級厚度不會破壞光纖原有的高質量光波導模式，（2）光纖優秀的光束縛能力可以增強的光-2D材料相互作用長度，從而提高非線性光學響應。在之前的研究中，非線性光纖的制備是通過將非線性材料摻雜到光纖中或通過設計和制造微結構光纖來實現，這些方法往往存在非線性系數偏低和材料設計缺乏靈活性的問題；而傳統二維材料和光纖的結合則主要通過轉移技術將二維材料直接附著在光纖測剖面或拉錐光纖上，但這種方法存在光纖傳輸模式的破壞，光和材料相互作用長度較短和難以批量生產的缺點。由于2D材料在生長方面的巨大進步，現在可以直接通過化學氣相沉積的方法直接制備石墨烯光纖，其前驅體主要為氣相，因此相對容易擴散到狹窄的孔中以進行均勻生長。然而，在過渡金屬硫化物（TMD）-復合光纖生長中，原料是典型的固相前驅體，因此很難有效和均勻地傳質到光纖孔中。

【成果簡介】

?近日，北京大學劉忠范院士、劉開輝教授，中科院物理所白雪冬研究員（共同通訊作者）等人報告了一種直接制備超高非線性的二維材料（MoS₂）復合光纖的方法。該工藝主要是通過兩步化學氣相沉積方法實現的，其中，核心點在于將液相前驅體（Na₂MoO₄）溶液通過毛細作用吸入光纖孔內以確保均勻分布的原料，有效解決了固相前驅體難以有效和均勻地傳質到光纖孔中的問題，利用這種方法該團隊成功在整個光纖內孔壁上實現均勻的二維材料生長，制備出25厘米長的MoS₂復合光纖，與單層MoS₂/二氧化硅相比，產生的二次諧波和三次諧波的信號提高約300倍；得益于非共振激發，在較寬的頻率范圍內，傳播損耗保持在?0.1 dB cm^-1。另外，作者通過將二維材料復合光纖作為可飽和吸收體，實現了全光纖鎖模超快激光器的搭建（輸出功率約6 mW，脈沖寬度約500 fs，重復頻率約41 MHz）。初步測試表明，本文的制造策略還適用于其他過渡金屬硫化物及合金，拓展了這些二維材料復合光纖在全光纖非線性光學和光電應用。相關研究成果以“Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity”為題發表在Nature?Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖一、兩步法生長高質量，均勻，單層MoS₂復合光纖

（a）設計的兩步生長方法示意圖；

（b-d）光纖內壁MoS₂生長與Na₂MoO₄溶液濃度依賴關系（1 mg ml^-1（b）、4 mg ml^-1（c）和8 mg ml^-1（d））；

（e）光纖被腐蝕后MoS₂納米帶的STEM圖像，顯示了生長的MoS₂的高質量；

（f）在c標記的不同點的偏振SHG圖案，表明整個MoS₂晶疇的單晶性；

（g）25cm長MoS₂復合光纖中不同點Raman譜的數據統計，左測縱坐標?ω(A_1g-E_2g)，說明光纖中MoS₂?film?為單層；右側縱坐標E_2g 峰的半高寬說明MoS₂?film?的高質量和均勻性；

圖二、具有不同光纖結構和材料種類的二維材料復合光纖

（a，b）芯徑為~5μm的毛細石英管光纖HCF（a）和空心蜂窩結構的光子晶體光纖PCF的截面光學圖像（b）；

（c，d）分別表示在a和b中顯示HCF和PCF的相應側面視圖；

（e，f）嵌入生長的MoSe₂（綠色）、MoS₂（暗黃色）、WS₂（橙色）和MoS_xSe_2-x（紫羅蘭）的纖維的PL和拉曼光譜。

圖三、增強的MoS₂復合毛細石英管光纖諧波產生

（a）MoS₂復合HCF中SHG（2ω）和THG（3ω）的原理圖；

（b，c）MoS₂?HCF、MoS₂/石英和裸HCF的SHG（b）和THG（c）光譜；

（d）MoS₂ HCF的SHG和THG強度與激發功率的關系，顯示了預期的二次和三次定律；

（e）測量了在800nm激發下12cm長的MoS₂ HCF和MoS₂/硅的SHG強度隨激發功率的變化，MoS₂ HCF的功率損傷閾值提高了3倍；

（f）MoS₂ HCF中產生的SHG和THG強度和光纖長度的關系。

圖四、基于MoS₂?PCF飽和吸收提的的全光纖鎖模激光器

（a）以MoS₂光纖為飽和吸收體SA的全光纖鎖模激光器原理圖；

（b）不同入射功率下MoS₂?PCF的透射測量，顯示了MoS₂ PCF具有10%的飽和吸收調制深度；

（c）輸出激光脈沖的示波器測試，脈沖間隔為~24ns；

（d）輸出激光的光譜，中心波長1560nm，光譜寬度Δλ≈19nm；

（e）使用高斯函數擬合的自相關函數曲線（自相關半高全寬~720 fs，對應脈沖寬度~500 fs）。

【小結】

綜上，本文的兩步生長方法也可以將其他2D材料（TMD除外）直接生長到光纖內孔壁上。具有不同非線性特性的2D材料復合光纖為不同的應用提供了豐富的選擇。此外，通過設計和制備合適的光纖結構來控制群速度色散，可以實現超連續譜的產生。此外，如果滿足激發光和非線性信號之間的相位匹配，則非線性轉換效率甚至可以提高到?10％，與常規非線性光學晶體相當，這將為非線性光學材料的設計開辟一個新的領域，實現二維材料復合光纖的廣泛應用，例如高諧波產生、非線性參數放大和太赫茲源。

文獻鏈接：“Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity”(Nat. Nanotechnol.，2020?10.1038/s41565-020-0770-x)

本文由材料人CYM編譯供稿。