背景介紹

非線性光纖在光學(xué)變頻、超快激光和光通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。二維材料用于非線性光纖的優(yōu)勢(shì)在于:(1)原子薄層不會(huì)破壞光纖中的高質(zhì)量波導(dǎo)模式;(2)光纖內(nèi)增強(qiáng)的光-二維材料相互作用可以引起超高的非線性光學(xué)響應(yīng)。在現(xiàn)有的制造技術(shù)中，非線性是通過(guò)將非線性材料注入光纖或制造微結(jié)構(gòu)光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，前者因?yàn)榉蔷€性二維材料主要通過(guò)直接轉(zhuǎn)移技術(shù)附著在光纖上，存在傳播失真，光-材料相互作用長(zhǎng)度較短，難以批量生產(chǎn)的缺點(diǎn)，后者則存在設(shè)計(jì)靈活性差的問題。

本文亮點(diǎn)

1. 在這篇文章中，作者制備了一種二維材料嵌入式光纖——高度非線性材料MoS2直接生長(zhǎng)在SiO2光纖的內(nèi)壁上。生長(zhǎng)通過(guò)簡(jiǎn)單的兩步實(shí)現(xiàn)，在沿整個(gè)光纖壁生長(zhǎng)二維材料之前，預(yù)先沉積固體前驅(qū)體以保證原料均勻，克服固體前體難以有效和均勻地轉(zhuǎn)移到光纖孔中的問題。

2. 用制備的25厘米長(zhǎng)的光纖，與單層MoS2的平面氧化硅器件相比，二次諧波（SHG）和三次諧波（THG）的產(chǎn)生能提高約300倍，傳播損失保持在~0.1 dBcm-1在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)。

3. 初步測(cè)試表明，這種兩步生長(zhǎng)法也適用于其他二維材料和光纖結(jié)構(gòu)，并在文章展示了一種全光纖鎖模激光器(約6 MW輸出，約500 fs脈沖寬度和約41 MHz重復(fù)率)通過(guò)把嵌入二維材料的光纖作為飽和吸收器，證明了這些嵌入式光纖可用于多種全光纖非線性光學(xué)和光電應(yīng)用。

4. 通過(guò)色散管理建立了一個(gè)脈沖展寬被動(dòng)鎖模光纖激光器, 實(shí)現(xiàn)超連續(xù)譜的產(chǎn)生。如果激發(fā)光和非線性信號(hào)之間的相位匹配得到滿足，非線性轉(zhuǎn)換效率甚至可以提高到~10%，這可以與傳統(tǒng)的塊體光學(xué)晶體相媲美。這將為非線性光學(xué)材料的設(shè)計(jì)開辟一個(gè)新的領(lǐng)域，從而激發(fā)光纖中多種多樣的非線性應(yīng)用。

 圖文解析

圖1：兩步生長(zhǎng)的高質(zhì)量，均勻，單層MoS2嵌入式光纖

生長(zhǎng)原理：首先將Na2MoO4水溶液通過(guò)毛細(xì)作用填充到光纖中作為Mo的來(lái)源（圖1a 前）。再將光纖放置在化學(xué)氣相沉淀爐中，110℃烘干30分鐘，這時(shí)Na2MoO4前驅(qū)體發(fā)生簇集并且隨機(jī)分布在光纖內(nèi)壁上（圖1a 中）。隨后，在820℃的生長(zhǎng)溫度下，簇集的Na2MoO4前驅(qū)體發(fā)生液化并且在硫蒸汽下不斷釋放Mo的前驅(qū)體，硫蒸氣由氬氣通過(guò)低壓泵入，與Na2MoO4蒸氣均勻混合，最終實(shí)現(xiàn)MoS2的均勻生長(zhǎng)（圖1a 后）。

要點(diǎn)：1.通過(guò)調(diào)控Na2MoO4溶液濃度可以控制MoS2的覆蓋率和覆蓋厚度（圖1 b,c,d）2.STEM圖中的沒有任何缺陷點(diǎn)位，拉曼光譜也證明了單層膜在整根光纖上的均勻性，顯示了這種生長(zhǎng)方式可以提供高質(zhì)量的MoS2膜。（圖1 e,f,g） 

圖2：具有多種光纖結(jié)構(gòu)和材料種類的二維材料嵌入光纖

要點(diǎn)：1. 對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的光纖（不同孔徑，不同孔數(shù)），這種兩步生長(zhǎng)法體現(xiàn)出了普適性，都生長(zhǎng)出高質(zhì)量的均勻的單層MoS2膜。（圖 2 a,b,c,d）2.通過(guò)調(diào)整過(guò)渡金屬（例如Na2MoO4和Na2WO4），硫族元素（例如S和Se）和生長(zhǎng)溫度，即可實(shí)現(xiàn)多種過(guò)渡金屬二硫?qū)倩?TMD)嵌入。(圖 2 e,f) 

圖3：MoS2嵌入光纖中非線性光學(xué)諧波生成得到了巨大增強(qiáng)

要點(diǎn)：1. 與傳統(tǒng)光纖相比，TMD嵌入光纖的非線性光學(xué)諧波生成得到了大大增強(qiáng)，在長(zhǎng)度達(dá)到25厘米的TMD嵌入式光纖中獲得的諧波，比在單層MoS2的平面氧化硅器件的高300倍以上。（圖3 a，b，c）2.TMD嵌入式光纖在800-nm激發(fā)的激光下的損傷閾值功率比單層MoS2的平面氧化硅器件高約三倍。（圖3 e）3.當(dāng)光纖超過(guò)5厘米后，SHG或THG信號(hào)不再與長(zhǎng)度呈二次相關(guān)，單層MoS2的吸收尾引起的損耗效應(yīng)以及激發(fā)光和SHG / THG光之間的相位失配會(huì)導(dǎo)致偏離二次方相關(guān)。

  圖4：基于MoS2嵌入的PCF的超快激光器

要點(diǎn): 1.用嵌入MoS2的光纖代替了傳統(tǒng)的自由空間SA（saturableabsorber）膜，實(shí)現(xiàn)了全光纖鎖模激光器，并且性能數(shù)值已經(jīng)可以與傳統(tǒng)SA半導(dǎo)體相媲美。（圖4 a,b）2. 通過(guò)色散管理建立了一個(gè)脈沖展寬被動(dòng)鎖模光纖激光器,實(shí)現(xiàn)超連續(xù)譜的產(chǎn)生。（圖4 c,e,d）

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