混合集成單層二硫化鎢的微納光纖：光纖非線性增強(qiáng)與調(diào)控

  南京大學(xué)徐飛教授、張學(xué)進(jìn)教授、陸延青教授團(tuán)隊(duì)首次將單層單晶二硫化鎢(WS2)薄膜集成到石英微納光纖波導(dǎo)中，實(shí)現(xiàn)了全光纖器件中激子發(fā)光的增強(qiáng)與二階非線頻率轉(zhuǎn)換的調(diào)控。該成果以“Tunable and enhanced light emission in hybrid WS2-optical-fiber-nanowire structures”為題，于2019年1月16日在線發(fā)表在Light Sci. Appl. 8, 8 (2019)上。

  近十年來，以石墨烯為代表的二維材料，由于具有優(yōu)異的光、電、磁、力和熱學(xué)等特性，而得到研究者廣泛關(guān)注，并在基礎(chǔ)物理和應(yīng)用研究中扮演了重要角色。然而，基于二維材料的光電子器件的性能仍極大地受限于其橫向物理尺寸與光波長的巨大失配，為此研究者提出利用光學(xué)諧振腔、表面等離激元和波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)光-二維材料相互作用，并取得了眾多進(jìn)展。

  微納光纖作為光纖光學(xué)與納米技術(shù)的連接橋梁，可以實(shí)現(xiàn)微米尺度甚至納米尺度光-物質(zhì)相互作用，在傳感、非線性光學(xué)、量子光學(xué)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。將二維材料集成到微納光纖波導(dǎo)體系中，利用波導(dǎo)內(nèi)稟的表面疏逝場效應(yīng)與物質(zhì)相互作用，可以突破二維材料的物理尺寸限制，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的光-物質(zhì)相互作用。另外，由于微納光纖與現(xiàn)有光纖通訊網(wǎng)絡(luò)的高度兼容性，二維材料-微納光纖復(fù)合器件可以直接適用于光纖通訊系統(tǒng)，具有巨大的應(yīng)用前景。

  圖 1 (a)應(yīng)變調(diào)控WS2-微納光纖復(fù)合波導(dǎo)示意圖;(b)實(shí)驗(yàn)測(cè)試應(yīng)變調(diào)控WS2激子發(fā)光波長;(c)實(shí)驗(yàn)測(cè)試應(yīng)變調(diào)控復(fù)合波導(dǎo)二次諧波產(chǎn)生。

  南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用有機(jī)物薄膜輔助的微轉(zhuǎn)移技術(shù)，將化學(xué)氣相沉積法制備的單層單晶WS2薄膜可控地轉(zhuǎn)移包裹到亞波長直徑的石英光纖表面，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合波導(dǎo)在近紅外波段(1.5 μm)的低損耗光傳輸(~1dB)。相比于石墨烯，WS2具有更豐富的光電子特性，如單層薄膜直接帶隙發(fā)光、自旋-谷電子效應(yīng)和二階非線性效應(yīng)等。在這一工作中，他們系統(tǒng)地研究了波導(dǎo)增強(qiáng)的WS2激子的光吸收和熒光發(fā)射強(qiáng)度，如波導(dǎo)耦合的WS2激子共振吸收強(qiáng)度比自由空間耦合提高了6倍以上。

  單層WS2由于中心反演對(duì)稱破缺，產(chǎn)生較強(qiáng)的二階非線性，他們通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了近紅外光泵浦的二次諧波轉(zhuǎn)換效率比裸光纖提高了約20倍。進(jìn)一步，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)上首次展示了應(yīng)變調(diào)控的WS2-微納光纖器件的性能，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)耦合的WS2激子光吸收、光發(fā)射波長的動(dòng)態(tài)改變，以及二次諧波轉(zhuǎn)換效率的切換。這種設(shè)計(jì)和調(diào)控策略可以推廣到其它二維材料體系，為微納光纖波導(dǎo)集成二維材料的高性能、可調(diào)諧的光電子器件的開發(fā)提供新的思路。

  論文第一作者是2015級(jí)博士生陳錦輝，通訊作者徐飛教授和陸延青教授。該研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助完成，同時(shí)感謝人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等平臺(tái)與項(xiàng)目的大力支持。