中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
隨著(zhù)光通信技術(shù)的發(fā)展，光纖已成為現代信息社會(huì )的重要支撐。非線(xiàn)性光纖作為一種特殊用途光纖，在新型光纖通訊技術(shù)中具有重要應用和發(fā)展前景，并在光波長(cháng)轉換、超快光纖激光和超連續激光等光物理基礎以及器件研究等領(lǐng)域具有應用潛力。然而，傳統石英光纖僅表現出微弱的奇數階非線(xiàn)性效應，限制其在非線(xiàn)性光學(xué)領(lǐng)域的應用。當前，提高光纖非線(xiàn)性的方法主要分為兩類(lèi)：通過(guò)光纖結構優(yōu)化設計，減小光纖的有效纖芯面積，進(jìn)而提高光纖非線(xiàn)性；通過(guò)對傳統石英光纖纖芯進(jìn)行摻雜（如硫化物）或者直接生長(cháng)非石英纖芯（如鍺、硅等）來(lái)增加光纖非線(xiàn)性系數。但是，以上方法對光纖非線(xiàn)性提升效果有限且制備成本較高。因此，需要開(kāi)發(fā)具有高非線(xiàn)性光纖的制備方法。
二維原子晶體材料是目前材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，如石墨烯、過(guò)渡金屬硫族化合物和六方氮化硼等，均具有較優(yōu)的物理性能。尤其是光學(xué)特性，不同能帶結構的二維材料可具備從紫外到微波的超快寬帶光學(xué)響應、可調的光與物質(zhì)相互作用和高非線(xiàn)性系數等特點(diǎn)，掀起二維材料與光纖光學(xué)相結合的交叉學(xué)科研究熱潮。此前主要通過(guò)轉移或涂覆的方式將二維材料與光纖結合，實(shí)現二維材料的光學(xué)增強效應。但是，該方法一般需要人為改變光纖結構（例如側剖和拉錐光纖）以實(shí)現材料與光纖中傳輸光的倐逝波的耦合，影響光纖的性能，增加不必要的損耗，且轉移和涂覆工藝不利于高性能復合光纖的批量制備。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心白雪冬課題組，中科院院士、北京大學(xué)教授劉忠范，北京大學(xué)研究員劉開(kāi)輝合作，提出一種液相輔助兩步化學(xué)氣相沉積法在多孔光纖孔內壁上直接生長(cháng)二維過(guò)渡金屬硫族化合物，制備出具有超高非線(xiàn)性的二維材料復合光纖。該方法解決二維材料前驅體在大縱橫比光纖中傳質(zhì)不勻的問(wèn)題，實(shí)現多種二維材料及其合金在不同種類(lèi)規格光纖（空心石英管光纖和光子晶體光纖等）中均勻全覆蓋生長(cháng)，長(cháng)度可達25 cm。在此基礎上，研究人員基于復合光纖的非線(xiàn)性實(shí)部和虛部分別進(jìn)行應用研究：（1）非線(xiàn)性實(shí)部：光頻轉換應用研究。實(shí)驗發(fā)現，二維材料復合光纖展示出較強的二次和三次諧波產(chǎn)生，相比于平面石英襯底上的MoS2樣品，該MoS2復合光纖的非線(xiàn)性信號增強~300倍，損傷閾值提高3倍，傳輸損耗僅為~0.1 dB/cm。（2）非線(xiàn)性虛部：全光纖超快脈沖激光器的研究。將MoS2復合光纖用作飽和吸收器，完成全光纖鎖模脈沖激光器的搭建和測試，具備超窄脈沖寬度~500 fs高重復頻率~41 MHz等性能。
相關(guān)研究成果以Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity為題，在線(xiàn)發(fā)表在Nature Nanotechnology上，物理所博士后左勇剛為論文共同第一作者。研究工作得到中科院戰略性先導科技專(zhuān)項（B類(lèi)）、國家自然科學(xué)基金等的資助。
圖1.兩步化學(xué)氣相沉積法制備MoS2復合光纖
圖2.制備不同結構二維材料復合光纖
圖3.二硫化鉬復合光纖光頻轉化應用
圖4.全光纖超快鎖模脈沖激光源應用
