进展 | 二维材料复合光纤实现超高非线性效应

随着光通信技术的发展，光纤已经成为现代信息社会的重要支撑。非线性光纤作为一种特殊用途光纤，不仅在新型光纤通讯技术中有重要应用和发展前景，而且在光波长转换、超快光纤激光和超连续激光等光物理基础和器件研究等领域具有很大应用潜力。然而，传统石英光纤仅表现出非常微弱的奇数阶非线性效应，严重限制了在非线性光学领域的广泛应用。当前，提高光纤非线性的方法主要分为两大类：1 通过光纤结构优化设计，减小光纤的有效纤芯面积，进而提高光纤非线性；2，通过对传统石英光纤纤芯进行掺杂(如硫化物)或者直接生长非石英纤芯(如锗，硅等)来增加光纤非线性系数。但是，以上方法对光纤非线性提升效果有限且制备成本较高。因此，开发具有高非线性光纤的制备方法是迫切的需求。

       二维原子晶体材料是目前材料领域研究的一个热点，比如石墨烯、过渡金属硫族化合物、六方氮化硼等，均具有优异的物理性能。尤其是光学特性，不同能带结构的二维材料可具备从紫外到微波的超快宽带光学响应、可调的光与物质相互作用和高非线性系数等特点，迅速掀起了二维材料与光纤光学相结合的交叉学科研究热潮。之前大量的研究工作主要是通过转移或者涂覆的方式将二维材料与光纤结合，以实现二维材料的光学增强效应。但是此类方法一般需要人为改变光纤结构（例如侧剖和拉锥光纤）来实现材料与光纤中传输光的倐逝波的耦合，极大地影响光纤的性能，增加了不必要的损耗，且转移和涂覆工艺不利于高性能复合光纤的批量制备。

       最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心白雪冬课题组与北京大学刘忠范院士、刘开辉研究员合作，提出一种液相辅助两步化学气相沉积法在多孔光纤孔内壁上直接生长二维过渡金属硫族化合物，成功制备出具有超高非线性的二维材料复合光纤。

 

图1. 两步化学气相沉积法制备MoS2复合光纤

该方法有效解决了二维材料前驱体在大纵横比光纤中传质不匀的问题，实现了多种二维材料及其合金在不同种类规格光纤（空心石英管光纤和光子晶体光纤等）中均匀全覆盖生长，长度最大可达25cm。

图2. 制备不同结构二维材料复合光纤

在此基础上，研究人员进一步基于该复合光纤的非线性的实部和虚部分别进行了相应的应用研究。1 非线性实部：光频转换应用研究。实验结果发现，二维材料复合光纤展示了超强的二次和三次谐波产生，相比于平面石英衬底上的MoS2样品，该MoS2复合光纤的非线性信号增强了~300倍，损伤阈值提高3倍，传输损耗仅为~0.1 dB/cm；

图3. 二硫化钼复合光纤光频转化应用

2 非线性虚部：全光纤超快脉冲激光器的研究。将MoS2复合光纤用作饱和吸收器，完成了全光纤锁模脉冲激光器的搭建和测试，具备超窄脉冲宽度~500 fs高重复频率~41 MHz等优异性能。

图4.全光纤超快锁模脉冲激光源应用

该研究结果以 “Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity” 为题在线发表在 Nature Nanotechnology（https://doi.org/10.1038/s41565-020-0770-x） 上, 中科院物理研究所博士后左勇刚为文章共同第一作者（排序1/3）。

       这项工作得到了中科院先导B（XDB33030200)、国家自然科学基金（51991340、51991344和51421002）等项目的资助。