Nature Photonics |?嵌入二维材料的光纤内产生二次谐波

论文导读

      石英光纤是研究非线性现象的绝佳平台，但由于熔融石英的无定形性质，很难产生二阶非线性。为了在石英光纤中产生二次谐波，来自德国耶拿大学的Falk Eilenberger 团队提出在暴露芯光纤纤芯直接生长单层MoS₂，利用该材料的强二阶非线性和大模式重叠对光纤进行功能化，进而在光纤内直接产生二次谐波。相关成果以In-fibre second-harmonic generation with embedded two-dimensional materials为题发表在Nature Photonics上，该工作为基于二次谐波的光电子学研究提供了一个潜在的平台，也为二维材料的表征给出了一个光子学方案。

研究背景

      为增强光纤二阶非线性，一种方法是将其与二维材料集成，进行光纤功能化。在在此前的工作中，研究人员多是使用机械剥离法或者化学气相沉积法将二维材料与光子晶体光纤集成，这需要大横截面积的光子晶体光纤，而且由泄露模产生的二次谐波转换效率仍然较低。此外，由于光子晶体光纤气孔较小且封闭，沉积生长出来的二维材料也难以长成高质量晶体。

技术突破

      为解决二维材料生长困难以及二次谐波转换效率低的问题，本文的研究人员使用暴露芯光纤（悬挂芯光纤的一种，一侧纤芯暴露在空气中）作为基底，在纤芯表面使用改进的化学气相沉积法生长了高非线性的MoS₂材料，材料层厚度为0.9 nm。当给定晶体长度和取向时，在入射光1360 nm下，实验测量的二阶磁化率χ⁽²⁾值为44 pm V^–1，倍频转换效率为0.2×10^?3 m^?2 W^?1。为了进一步提高非线性转换效率，实验人员在材料上涂敷了25 nm厚的HfO₂涂层以增强模式重叠，实验得到的转换效率为0.1 m^?2 W^?1。

观点评述

      研究人员巧妙地利用了特种光纤作为材料生长基底，实现了光纤内高效产生二次谐波。对于材料学研究而言建立了一个高度通用的二次谐波研究平台，以揭示二维材料的物理特性，如晶体结构表征、应变相变监测、电子-空穴对称性以及反铁磁性检测等。

      对于光子学研究而言，可开发二维材料集成光纤三波混频器件，应用场景包括二次谐波光源、OPO/OPA、光调制器、光信号处理或基于自发参量下转换的光子对源。由于二次谐波也是应变的监测指标，因此还可以应用到光纤传感器和有源光纤网络。

      总而言之，该工作搭建起了材料学和光子学的桥梁。光子学为二维材料研究提供了新平台，二维材料反过来也是发展先进光子器件、扩宽光子学应用的得力助手。

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