北京大學劉忠範院士/劉開輝教授等《自然·納米技術》：光纖內二維材料的均勻生長實現超高非線性

2020-09-22 高分子科學前沿

非線性光纖已被廣泛應用於光學變頻、超快雷射和光通信等領域。在目前的製造技術中，非線性是通過將非線性材料注入到纖維或製造微結構纖維等途徑來實現的。然而，這兩種策略都存在低的光學非線性或設計靈活性差的問題。

將二維材料應用於非線性光纖主要有兩個優勢:(1)原子尺度的薄層不會破壞光纖中的高質量波導模式;(2)光纖內增強的光-二維材料相互作用可以誘導超高的非線性光響應。之前，二維材料主要通過轉移技術附著在光纖上，面臨著傳播能力扭曲，光-材料相互作用長度較短，批量生產困難等挑戰。而2D材料生長方面取得的巨大進展實現了石墨烯光纖的直接製備，氣相的原料馮家容易擴散到狹窄的孔中以實現均勻生長。然而，在過渡金屬硫化物(TMD)嵌入式光纖生長中，前驅體原料通常為固體，因此很難有效地、均勻地轉移到光纖的孔洞中。

有鑑於此，北京大學劉開輝教授、劉忠範院士和中科院物理所白雪冬教授合作通過兩步化學氣相沉積法（chemical vapour deposition, CVD），將高度非線性的二維材料MoS2，直接生長到SiO2光纖的內壁上。與單層的MoS2/二氧化矽相比，製備的25釐米長的纖維二次諧波和三次諧波的產生能提高約300倍。在較寬的頻率範圍內，傳播損耗保持在0.1 dB cm-1。此外，通過集成二維材料嵌入光纖作為飽和吸收器，製備了一種全光纖鎖模雷射器(約6 mw輸出，約500 fs脈衝寬度和約41 MHz重複頻率)。測試表明，這種製造策略適用於其他的過渡金屬硫化合物，大大拓寬了嵌入式纖維在全纖維非線性光學和光電子等領域的應用。該研究以題為「Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity」的論文發表在最新一期的《Nature Nanotechnology》上。

【二維材料嵌入式光纖的製備】

圖1a闡述了使用的兩步化學氣相沉積法。首先利用Na2MoO4水溶液的毛細作用將Mo源填充到纖維孔中，然後將纖維置入爐中低溫處理。隨後高溫釋放Mo前驅體。最後通硫蒸氣，實現MoS2的均勻生長。在這種兩步化學氣相沉積法中，MoS2的覆蓋率和厚度可以通過調整Na2MoO4溶液的濃度來實現（圖1b-d）。圖1e,f的STEM圖和SHG圖證明了生長出了高質量的MoS2薄膜。Raman數據表明MoS2薄膜十分均勻（圖1g）。

圖1 兩步法生長高質量單層MoS2嵌入式光纖

這種兩步生長法可以適用於不同結構的纖維和其他二維材料。作者成功的在空心毛細管纖維（hollow capillary fibre, HCF,圖2a）和光子晶體纖維（photonic crystal fibres, PCF,圖2b）這兩種微結構光纖中生長出了均勻的單層MoS2薄膜（圖2c,d）。通過改變原料，作者還實現了其他二維材料在纖維中的生長，如WS2 MoSe2等（圖2e,f）。

圖2 不同結構與材料種類的二維材料嵌入式光纖

【TMD嵌入式光纖的諧波增強】

與傳統的光纖相比，TMD嵌入式纖維的非線性光學諧波產生獲得了極大的增強。作者觀察到在25釐米長的基於單層MoS2的空心毛細管纖維中諧波產生的明顯增強，比矽基底上單層MoS2提高了300倍以上（圖3b,c）。此外，將這種二維材料嵌入式光纖用於非線性波長轉換的另一個優勢就是其損傷閾值功率更高。與自由空間中的非線性材料上的雷射直接聚焦不同，光纖中的光可以填充波導核心，導致更大的光場面積。因此，在非線性介質被破壞之前，光纖可以承受更高的功率。此外，纖維壁上的二維材料通常會與瞬逝光相互作用。在800 nm雷射下MoS2嵌入式光纖的損傷閾值功率約為平面基底上的三倍（圖3e）。

圖3 MoS2嵌入式空心毛細管纖維的諧波增強

【基於MoS2嵌入式光子晶體纖維的超快雷射器】

最後，作者以MoS2嵌入式光子晶體纖維作為纖維雷射器中的飽和吸收器（saturable absorber, SA），以產生超快脈衝。由於MoS2嵌入式光纖取代了傳統的自由空間飽和吸收器，實現了全光纖鎖模雷射器件的製備（圖4）。3釐米長的MoS2嵌入式光子晶體纖維表現出約1 dB的相對低耦合損失，以及當飽和峰值強度為0.8 MW cm-2時，10%的非線性吸收調製深度（αS）（圖4b）。在此基礎上，作者利用色散管理技術建立了一種拉伸脈衝無源鎖模光纖雷射器，最大輸出功率為~ 6mw，重複頻率為41 MHz，光譜帶寬為19 nm，中心波長為1560 nm，脈衝持續時間為500 fs。亞皮秒的脈衝序列顯示出高達52 dB的信噪比。

圖4 基於MoS2嵌入式光子晶體纖維的超快雷射器

總結：通過兩步化學氣相沉積法製備了二維材料嵌入式光纖，方法可適用於不同結構的纖維與多種二維材料。與單層的MoS2/二氧化矽相比，製備的25釐米長的纖維二次諧波和三次諧波的產生能提高約300倍。在較寬的頻率範圍內，傳播損耗保持在0.1 dB cm-1。此外，通過集成二維材料嵌入光纖作為飽和吸收器，製備了一種全光纖鎖模雷射器(約6 mw輸出，約500 fs脈衝寬度和約41 MHz重複頻率)。測試表明，這種製造策略適用於其他的過渡金屬硫化合物，大大拓寬了嵌入式纖維在全纖維非線性光學和光電子等領域的應用。

https://www.nature.com/articles/s41565-020-0770-x

來源：高分子科學前沿

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