物理所等制备出超高非线性的二维材料复合光纤

　　【仪表网 仪表研发】随着光通信技术的发展，光纤已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，在新型光纤通讯技术中具有重要应用和发展前景，并在光波长转换、超快光纤激光和超连续激光等光物理基础以及器件研究等领域具有应用潜力。然而，传统石英光纤仅表现出微弱的奇数阶非线性效应，限制其在非线性光学领域的应用。当前，提高光纤非线性的方法主要分为两类：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；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，需要开发具有高非线性光纤的制备方法。
 

　　高非线性光子晶体光纤结构以及特性介绍
 

　　高非线性光子晶体光纤一般有两种：一种是纤芯较小，孔洞较大的网状多模光纤，另一种纤芯稍微大些，孔洞较小，工作在零色散波长处的单模光纤。 单模的高非线性光子晶体光纤比孔洞较大的多模的高非线性光子晶体光纤相比具有一些更好的特性：单模HNL-PCF空气孔洞较小，因此与传统光纤的熔接较容易一些；聚焦在单模HNL-PCF包层区域的光不能传播而使其易于实现自由空间光耦合；另外单模HNL-PCF严格的工作在单模状态。虽然单模HNL-PCF具有许多优点但是其非线性系数一般不高，研究发现多模HNL-PCF可获得更高的非线性系数，因此使用较广。高非线性光子晶体光纤一般指的是多模HNL-PCF。
 

　　普通石英单模光纤的非线性系数为1.11 1 WKm,而高非线性光子晶体光纤由于光被周期性的空气微孔阵列严格地限制在纤芯中,其非线性系数是普通石英单模光纤的几十至几百倍,甚至高达245WKm。因此,在PCF中用脉冲泵浦峰值功率低于次千瓦量级(比常规非线性光纤所需的注入脉冲激光功率低1～2个数量级)的激光脉冲,可以产生较大的非线性频率变换和双倍程的超连续光谱。另外, PCF 的色散特性具有较大的设计灵活性,适当调整光纤的结构参数可以获得较平坦的色散特性。同时由于包层与纤芯较大的折射率差，使得波导色散增加，零色散波长可以移至短波长波段。具有高非线性系数和可控的色散特性的高非线性光子晶体光纤的已被广泛应用于光通信、全光再生、光相干层析及光频率测量等领域。
 

　　高非线性光子晶体光纤的应用
 

　　当强激光脉冲与非线性介质发生作用时,各种不同频率相互作用就产生了新频率的激光,这种相互作用越强,产生的频谱展宽越宽,从而生成一定波长范围的宽带光谱,即超连续光谱。超连续光谱的宽度由非线性介质的色散和输入激光脉冲的强度决定,为了产生较宽的超连续光谱,通常将非线性光纤的零色散波长设计在注入脉冲波长附近。超连续光谱在光通信、超短脉冲压缩、激光光谱学、传感技术等方面有着极大的应用潜力。
 

　　高非线性光子晶体光纤由于具有特殊的色散和非线性特性,比一般光纤更容易产生超连续谱。通过光纤的色散特性进行特殊设计可以获得参数优化的超连续光谱。利用高非线性PCF 制备的单个宽带光源可以为密集波分复用(DWDM) 提供1000个信道的光信号。PCF产生的超连续谱也为超高分辨率的光学相干层析技术提供了理想光源。在频率计量学中,利用飞秒脉冲序列与PCF 作用产生的超连续谱已被用来制作“光频率梳”。此外，HNL-PCF可控的色散特性使得这种光纤在超快光学领域也有很大的应用价值,包括超短脉冲的受控传输、频率转换、脉冲宽度压缩等。
 

　　二维原子晶体材料是目前材料领域研究的热点之一，如石墨烯、过渡金属硫族化合物和六方氮化硼等，均具有较优的物理性能。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，掀起二维材料与光纤光学相结合的交叉学科研究热潮。此前主要通过转移或涂覆的方式将二维材料与光纤结合，实现二维材料的光学增强效应。但是，该方法一般需要人为改变光纤结构(例如侧剖和拉锥光纤)以实现材料与光纤中传输光的倐逝波的耦合，影响光纤的性能，增加不必要的损耗，且转移和涂覆工艺不利于高性能复合光纤的批量制备。
 

　　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，中科院院士、北京大学教授刘忠范，北京大学研究员刘开辉合作，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，制备出具有超高非线性的二维材料复合光纤。该方法解决二维材料前驱体在大纵横比光纤中传质不匀的问题，实现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，长度可达25 cm。在此基础上，研究人员基于复合光纤的非线性实部和虚部分别进行应用研究：(1)非线性实部：光频转换应用研究。实验发现，二维材料复合光纤展示出较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~300倍，损伤阈值提高3倍，传输损耗仅为~0.1 dB/cm。(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等性能。
 

　　相关研究成果以Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity为题，在线发表在Nature Nanotechnology上，物理所博士后左勇刚为论文共同第一作者。研究工作得到中科院战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金等的资助。
 

　　资料来源：百科、物理研究所