物理所等制備出超高非線性的二維材料復合光纖

　　【儀表網 儀表研發】隨著光通信技術的發展，光纖已成為現代信息社會的重要支撐。非線性光纖作為一種特殊用途光纖，在新型光纖通訊技術中具有重要應用和發展前景，并在光波長轉換、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性效應，限制其在非線性光學領域的應用。當前，提高光纖非線性的方法主要分為兩類：通過光纖結構優化設計，減小光纖的有效纖芯面積，進而提高光纖非線性；通過對傳統石英光纖纖芯進行摻雜(如硫化物)或者直接生長非石英纖芯(如鍺、硅等)來增加光纖非線性系數。但是，以上方法對光纖非線性提升效果有限且制備成本較高。因此，需要開發具有高非線性光纖的制備方法。
 

　　高非線性光子晶體光纖結構以及特性介紹
 

　　高非線性光子晶體光纖一般有兩種：一種是纖芯較小，孔洞較大的網狀多模光纖，另一種纖芯稍微大些，孔洞較小，工作在零色散波長處的單模光纖。 單模的高非線性光子晶體光纖比孔洞較大的多模的高非線性光子晶體光纖相比具有一些更好的特性：單模HNL-PCF空氣孔洞較小，因此與傳統光纖的熔接較容易一些；聚焦在單模HNL-PCF包層區域的光不能傳播而使其易于實現自由空間光耦合；另外單模HNL-PCF嚴格的工作在單模狀態。雖然單模HNL-PCF具有許多優點但是其非線性系數一般不高，研究發現多模HNL-PCF可獲得更高的非線性系數，因此使用較廣。高非線性光子晶體光纖一般指的是多模HNL-PCF。
 

　　普通石英單模光纖的非線性系數為1.11 1 WKm,而高非線性光子晶體光纖由于光被周期性的空氣微孔陣列嚴格地限制在纖芯中,其非線性系數是普通石英單模光纖的幾十至幾百倍,甚至高達245WKm。因此,在PCF中用脈沖泵浦峰值功率低于次千瓦量級(比常規非線性光纖所需的注入脈沖激光功率低1～2個數量級)的激光脈沖,可以產生較大的非線性頻率變換和雙倍程的超連續光譜。另外, PCF 的色散特性具有較大的設計靈活性,適當調整光纖的結構參數可以獲得較平坦的色散特性。同時由于包層與纖芯較大的折射率差，使得波導色散增加，零色散波長可以移至短波長波段。具有高非線性系數和可控的色散特性的高非線性光子晶體光纖的已被廣泛應用于光通信、全光再生、光相干層析及光頻率測量等領域。
 

　　高非線性光子晶體光纖的應用
 

　　當強激光脈沖與非線性介質發生作用時,各種不同頻率相互作用就產生了新頻率的激光,這種相互作用越強,產生的頻譜展寬越寬,從而生成一定波長范圍的寬帶光譜,即超連續光譜。超連續光譜的寬度由非線性介質的色散和輸入激光脈沖的強度決定,為了產生較寬的超連續光譜,通常將非線性光纖的零色散波長設計在注入脈沖波長附近。超連續光譜在光通信、超短脈沖壓縮、激光光譜學、傳感技術等方面有著極大的應用潛力。
 

　　高非線性光子晶體光纖由于具有特殊的色散和非線性特性,比一般光纖更容易產生超連續譜。通過光纖的色散特性進行特殊設計可以獲得參數優化的超連續光譜。利用高非線性PCF 制備的單個寬帶光源可以為密集波分復用(DWDM) 提供1000個信道的光信號。PCF產生的超連續譜也為超高分辨率的光學相干層析技術提供了理想光源。在頻率計量學中,利用飛秒脈沖序列與PCF 作用產生的超連續譜已被用來制作“光頻率梳”。此外，HNL-PCF可控的色散特性使得這種光纖在超快光學領域也有很大的應用價值,包括超短脈沖的受控傳輸、頻率轉換、脈沖寬度壓縮等。
 

　　二維原子晶體材料是目前材料領域研究的熱點之一，如石墨烯、過渡金屬硫族化合物和六方氮化硼等，均具有較優的物理性能。尤其是光學特性，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響應、可調的光與物質相互作用和高非線性系數等特點，掀起二維材料與光纖光學相結合的交叉學科研究熱潮。此前主要通過轉移或涂覆的方式將二維材料與光纖結合，實現二維材料的光學增強效應。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。
 

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心白雪冬課題組，中科院院士、北京大學教授劉忠范，北京大學研究員劉開輝合作，提出一種液相輔助兩步化學氣相沉積法在多孔光纖孔內壁上直接生長二維過渡金屬硫族化合物，制備出具有超高非線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不勻的問題，實現多種二維材料及其合金在不同種類規格光纖(空心石英管光纖和光子晶體光纖等)中均勻全覆蓋生長，長度可達25 cm。在此基礎上，研究人員基于復合光纖的非線性實部和虛部分別進行應用研究：(1)非線性實部：光頻轉換應用研究。實驗發現，二維材料復合光纖展示出較強的二次和三次諧波產生，相比于平面石英襯底上的MoS2樣品，該MoS2復合光纖的非線性信號增強~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。
 

　　相關研究成果以Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity為題，在線發表在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項(B類)、國家自然科學基金等的資助。
 

　　資料來源：百科、物理研究所