Nature Nanotechnology:二维材料复合光纤获得超高非线性

【引言】

非线性光纤已被广泛应用于光学频率转换、超快激光和新型光通信等领域。非线性光纤结合二维（2D）材料的优势在于：（1）2D材料原子级厚度不会破坏光纤原有的高质量光波导模式，（2）光纤优秀的光束缚能力可以增强的光-2D材料相互作用长度，从而提高非线性光学响应。在之前的研究中，非线性光纤的制备是通过将非线性材料掺杂到光纤中或通过设计和制造微结构光纤来实现，这些方法往往存在非线性系数偏低和材料设计缺乏灵活性的问题；而传统二维材料和光纤的结合则主要通过转移技术将二维材料直接附着在光纤测剖面或拉锥光纤上，但这种方法存在光纤传输模式的破坏，光和材料相互作用长度较短和难以批量生产的缺点。由于2D材料在生长方面的巨大进步，现在可以直接通过化学气相沉积的方法直接制备石墨烯光纤，其前驱体主要为气相，因此相对容易扩散到狭窄的孔中以进行均匀生长。然而，在过渡金属硫化物（TMD）-复合光纤生长中，原料是典型的固相前驱体，因此很难有效和均匀地传质到光纤孔中。

【成果简介】

近日，北京大学刘忠范院士、刘开辉教授，中科院物理所白雪冬研究员（共同通讯作者）等人报告了一种直接制备超高非线性的二维材料（MoS₂）复合光纤的方法。该工艺主要是通过两步化学气相沉积方法实现的，其中，核心点在于将液相前驱体（Na₂MoO₄）溶液通过毛细作用吸入光纤孔内以确保均匀分布的原料，有效解决了固相前驱体难以有效和均匀地传质到光纤孔中的问题，利用这种方法该团队成功在整个光纤内孔壁上实现均匀的二维材料生长，制备出25厘米长的MoS₂复合光纤，与单层MoS₂/二氧化硅相比，产生的二次谐波和三次谐波的信号提高约300倍；得益于非共振激发，在较宽的频率范围内，传播损耗保持在〜0.1 dB cm^-1。另外，作者通过将二维材料复合光纤作为可饱和吸收体，实现了全光纤锁模超快激光器的搭建（输出功率约6 mW，脉冲宽度约500 fs，重复频率约41 MHz）。初步测试表明，本文的制造策略还适用于其他过渡金属硫化物及合金，拓展了这些二维材料复合光纤在全光纤非线性光学和光电应用。相关研究成果以“Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity”为题发表在NatureNanotechnology上。

【图文导读】

图一、两步法生长高质量，均匀，单层MoS₂复合光纤

（a）设计的两步生长方法示意图；

（b-d）光纤内壁MoS₂生长与Na₂MoO₄溶液浓度依赖关系（1 mg ml^-1（b）、4 mg ml^-1（c）和8 mg ml^-1（d））；

（e）光纤被腐蚀后MoS₂纳米带的STEM图像，显示了生长的MoS₂的高质量；

（f）在c标记的不同点的偏振SHG图案，表明整个MoS₂晶畴的单晶性；

（g）25cm长MoS₂复合光纤中不同点Raman谱的数据统计，左测纵坐标∆ω(A_1g-E_2g)，说明光纤中MoS₂film 为单层；右侧纵坐标E_2g峰的半高宽说明MoS₂film 的高质量和均匀性；

图二、具有不同光纤结构和材料种类的二维材料复合光纤

（a，b）芯径为~5μm的毛细石英管光纤HCF（a）和空心蜂窝结构的光子晶体光纤PCF的截面光学图像（b）；

（c，d）分别表示在a和b中显示HCF和PCF的相应侧面视图；

（e，f）嵌入生长的MoSe₂（绿色）、MoS₂（暗黄色）、WS₂（橙色）和MoS_xSe_2-x（紫罗兰）的纤维的PL和拉曼光谱。

图三、增强的MoS₂复合毛细石英管光纤谐波产生

（a）MoS₂复合HCF中SHG（2ω）和THG（3ω）的原理图；

（b，c）MoS₂HCF、MoS₂/石英和裸HCF的SHG（b）和THG（c）光谱；

（d）MoS₂HCF的SHG和THG强度与激发功率的关系，显示了预期的二次和三次定律；

（e）测量了在800nm激发下12cm长的MoS₂HCF和MoS₂/硅的SHG强度随激发功率的变化，MoS₂HCF的功率损伤阈值提高了3倍；

（f）MoS₂HCF中产生的SHG和THG强度和光纤长度的关系。

图四、基于MoS₂PCF饱和吸收提的的全光纤锁模激光器

（a）以MoS₂光纤为饱和吸收体SA的全光纤锁模激光器原理图；

（b）不同入射功率下MoS₂PCF的透射测量，显示了MoS₂PCF具有10%的饱和吸收调制深度；

（c）输出激光脉冲的示波器测试，脉冲间隔为~24ns；

（d）输出激光的光谱，中心波长1560nm，光谱宽度Δλ≈19nm；

（e）使用高斯函数拟合的自相关函数曲线（自相关半高全宽~720 fs，对应脉冲宽度~500 fs）。

【小结】

综上，本文的两步生长方法也可以将其他2D材料（TMD除外）直接生长到光纤内孔壁上。具有不同非线性特性的2D材料复合光纤为不同的应用提供了丰富的选择。此外，通过设计和制备合适的光纤结构来控制群速度色散，可以实现超连续谱的产生。此外，如果满足激发光和非线性信号之间的相位匹配，则非线性转换效率甚至可以提高到〜10％，与常规非线性光学晶体相当，这将为非线性光学材料的设计开辟一个新的领域，实现二维材料复合光纤的广泛应用，例如高谐波产生、非线性参数放大和太赫兹源。

文献链接：“Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity”(Nat. Nanotechnol.，202010.1038/s41565-020-0770-x)

本文由材料人CYM编译供稿。