物理所團隊等制備出超高非線性的二維材料復合光纖

　　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。

　　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。

圖1.兩步化學氣相沉積法制備MoS2復合光纖