北京大学刘忠范院士/刘开辉教授等:光纤内二维材料的均匀生长实现超高非线性

非线性光纤已被广泛应用于光学变频、超快激光和光通信等领域。在目前的制造技术中,非线性是通过将非线性材料注入到纤维或制造微结构纤维等途径来实现的。然而,这两种策略都存在低的光学非线性或设计灵活性差的问题。

将二维材料应用于非线性光纤主要有两个优势:(1)原子尺度的薄层不会破坏光纤中的高质量波导模式;(2)光纤内增强的光-二维材料相互作用可以诱导超高的非线性光响应。之前,二维材料主要通过转移技术附着在光纤上,面临着传播能力扭曲,光-材料相互作用长度较短,批量生产困难等挑战。而2D材料生长方面取得的巨大进展实现了石墨烯光纤的直接制备,气相的原料冯家容易扩散到狭窄的孔中以实现均匀生长。然而,在过渡金属硫化物(TMD)嵌入式光纤生长中,前驱体原料通常为固体,因此很难有效地、均匀地转移到光纤的孔洞中。

有鉴于此,北京大学刘开辉教授、刘忠范院士和中科院物理所白雪冬教授合作通过两步化学气相沉积法(chemical vapour deposition, CVD),将高度非线性的二维材料MoS2,直接生长到SiO2光纤的内壁上。与单层的MoS2/二氧化硅相比,制备的25厘米长的纤维二次谐波和三次谐波的产生能提高约300倍。在较宽的频率范围内,传播损耗保持在0.1 dB cm-1。此外,通过集成二维材料嵌入光纤作为饱和吸收器,制备了一种全光纤锁模激光器(约6 mw输出,约500 fs脉冲宽度和约41 MHz重复频率)。测试表明,这种制造策略适用于其他的过渡金属硫化合物,大大拓宽了嵌入式纤维在全纤维非线性光学和光电子等领域的应用。该研究以题为“Optical fibres with embedded two-dimensional materials for ultrahigh nonlinearity”的论文发表在最新一期的《Nature Nanotechnology》上。

北京大学刘忠范院士/刘开辉教授等《自然·纳米技术》:光纤内二维材料的均匀生长实现超高非线性

【二维材料嵌入式光纤的制备】

图1a阐述了使用的两步化学气相沉积法。首先利用Na2MoO4水溶液的毛细作用将Mo源填充到纤维孔中,然后将纤维置入炉中低温处理。随后高温释放Mo前驱体。最后通硫蒸气,实现MoS2的均匀生长。在这种两步化学气相沉积法中,MoS2的覆盖率和厚度可以通过调整Na2MoO4溶液的浓度来实现(图1b-d)。图1e,f的STEM图和SHG图证明了生长出了高质量的MoS2薄膜。Raman数据表明MoS2薄膜十分均匀(图1g)。

北京大学刘忠范院士/刘开辉教授等《自然·纳米技术》:光纤内二维材料的均匀生长实现超高非线性

图1 两步法生长高质量单层MoS2嵌入式光纤

这种两步生长法可以适用于不同结构的纤维和其他二维材料。作者成功的在空心毛细管纤维(hollow capillary fibre, HCF,图2a)和光子晶体纤维(photonic crystal fibres, PCF,图2b)这两种微结构光纤中生长出了均匀的单层MoS2薄膜(图2c,d)。通过改变原料,作者还实现了其他二维材料在纤维中的生长,如WS2 MoSe2等(图2e,f)。

北京大学刘忠范院士/刘开辉教授等《自然·纳米技术》:光纤内二维材料的均匀生长实现超高非线性

图2 不同结构与材料种类的二维材料嵌入式光纤

【TMD嵌入式光纤的谐波增强】

与传统的光纤相比,TMD嵌入式纤维的非线性光学谐波产生获得了极大的增强。作者观察到在25厘米长的基于单层MoS2的空心毛细管纤维中谐波产生的明显增强,比硅基底上单层MoS2提高了300倍以上(图3b,c)。此外,将这种二维材料嵌入式光纤用于非线性波长转换的另一个优势就是其损伤阈值功率更高。与自由空间中的非线性材料上的激光直接聚焦不同,光纤中的光可以填充波导核心,导致更大的光场面积。因此,在非线性介质被破坏之前,光纤可以承受更高的功率。此外,纤维壁上的二维材料通常会与瞬逝光相互作用。在800 nm激光下MoS2嵌入式光纤的损伤阈值功率约为平面基底上的三倍(图3e)。

北京大学刘忠范院士/刘开辉教授等《自然·纳米技术》:光纤内二维材料的均匀生长实现超高非线性

图3 MoS2嵌入式空心毛细管纤维的谐波增强

【基于MoS2嵌入式光子晶体纤维的超快激光器】

最后,作者以MoS2嵌入式光子晶体纤维作为纤维激光器中的饱和吸收器(saturable absorber, SA),以产生超快脉冲。由于MoS2嵌入式光纤取代了传统的自由空间饱和吸收器,实现了全光纤锁模激光器件的制备(图4)。3厘米长的MoS2嵌入式光子晶体纤维表现出约1 dB的相对低耦合损失,以及当饱和峰值强度为0.8 MW cm-2时,10%的非线性吸收调制深度(αS)(图4b)。在此基础上,作者利用色散管理技术建立了一种拉伸脉冲无源锁模光纤激光器,最大输出功率为~ 6mw,重复频率为41 MHz,光谱带宽为19 nm,中心波长为1560 nm,脉冲持续时间为500 fs。亚皮秒的脉冲序列显示出高达52 dB的信噪比。

北京大学刘忠范院士/刘开辉教授等《自然·纳米技术》:光纤内二维材料的均匀生长实现超高非线性

图4 基于MoS2嵌入式光子晶体纤维的超快激光器

总结:通过两步化学气相沉积法制备了二维材料嵌入式光纤,方法可适用于不同结构的纤维与多种二维材料。与单层的MoS2/二氧化硅相比,制备的25厘米长的纤维二次谐波和三次谐波的产生能提高约300倍。在较宽的频率范围内,传播损耗保持在0.1 dB cm-1。此外,通过集成二维材料嵌入光纤作为饱和吸收器,制备了一种全光纤锁模激光器(约6 mw输出,约500 fs脉冲宽度和约41 MHz重复频率)。测试表明,这种制造策略适用于其他的过渡金属硫化合物,大大拓宽了嵌入式纤维在全纤维非线性光学和光电子等领域的应用。

全文链接:

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

相关新闻

微信