二维材料复合光纤调制器件研究进展.pdf

物 理 化 学 学 报 Acta Phys.-Chim.Sin.2023,39(10),2306026(1 of 20)Received:June 13,2023;Revised:July 28,2023;Accepted:July 31,2023;Published online:August 8,2023.These authors contributed equally to this work.*Corresponding authors.Emails:(X.Z.);science_(Y.Z.);jinhuan_(J.W.);(K.L.)The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(52102044,52203331)and Guangzhou Basic and Applied Basic Research Projects(202201010395).国家自然科学基金(52102044,52203331)和广州市基础与应用研究项目(202201010395)资助 Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica Review doi:10.3866/PKU.WHXB202306026 Research Progress of Two-Dimensional Material Hybrid Fiber Modulators Kaifeng Lin 1,Ding Zhong 2,Jiahui Shao 1,Kaihui Liu 1,3,*,Jinhuan Wang 3,*,Yonggang Zuo 4,*,Xu Zhou 5,6,*1 State key Laboratory of Artificial Microstructure and Mesoscopic Physics,Academy for Advanced Interdisciplinary Studies,Peking University,Beijing 100871,China.2 Department of Physics,Renmin University of China,Beijing 100872,China.3 State key Laboratory of Artificial Microstructure and Mesoscopic Physics,School of Physics,Peking University,Beijing 100871,China.4 The Key Laboratory of Unconventional Metallurgy,Ministry of Education,Faculty of Metallurgical and Energy Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650031,China.5 Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Engineering and Quantum Materials,School of Physics,South China Normal University,Guangzhou 510631,China.6 Guangdong-Hong Kong Joint Laboratory of Quantum Matter,Frontier Research Institute for Physics,South China Normal University,Guangzhou 510631,China.Abstract:Communication technology has been rapidly advancing and widely applied in various fields,and optical fiber communication has become the fundamental basis of modern information communication,thanks to its high capacity and low loss.Optical modulators,which are essential devices in optical fiber communication systems,are typically based on bulk crystal electrical and optoelectronic devices.However,these devices have a drawback that they affect the quality of light in high-density transmission processes,thereby limiting the potential of optical fiber communication to achieve high-speed and high-capacity performance.To overcome this dilemma,researchers have been devoted to developing all-fiber devices capable of modulating,amplifying and detecting optical signals without interrupting the optical fiber transmission process.In recent years,many new types of optical fibers with different structures have been designed and fabricated.Among them,two-dimensional materials are exciting considerable attention in the field of optical modulation due to their unique properties that enhance the interaction between light and matter.Optical fiber-type modulators based on two-dimensional material hybrid fibers are expected to bring new opportunities for optical fiber communication.In this article,we will introduce various methods of combining two-dimensional materials with different structures of optical fibers,such as fiber end-face composites,hole inner-wall composites,tapered composites and side-polished composites structures.These methods can effectively integrate the advantages of both two-dimensional materials and optical fibers,and create novel optical modulators with high performance and functionality.We will also present some examples of optical modulators based on two-dimensional material hybrid fibers,including MoS2-based all-optical wavelength modulators,graphene-based electro-optical absorption modulators,and MXene-based thermo-optical phase 物理化学学报 Acta Phys.-Chim.Sin.2023,39(10),2306026(2 of 20)modulators.These devices can modulate the wavelength,intensity or phase of optical signals by exploiting the optical,electrical or thermal properties of two-dimensional materials.The modulation of optical signals is achieved by changing the real and imaginary parts of the refractive index of two-dimensional materials through external optical,electric or thermal fields.In addition,we will summarize the modulation principles,processes and applications of two-dimensional material hybrid fiber modulators in different domains,such as all-optical,electro-optical,and thermo-optical.We will compare their advantages and disadvantages with conventional optical modulators based on bulk crystal devices,and explore their potential for improving the performance and efficiency of optical fiber communication systems.Finally,we will discuss the opportunities and challenges faced by the field of two-dimensional material hybrid fibers,and take a look at the perspectives for future research directions and developments.Key Words:Optical fiber;Two-dimensional material;Modulator;Two-dimensional material hybrid fiber;All-optical modulation;Electro-optic modulation;Thermo-optic modulation 二维材料复合光纤调制器件研究进展二维材料复合光纤调制器件研究进展 林凯风1,，钟叮2,，邵嘉惠1,，刘开辉1,3,*，王金焕3,*，左勇刚4,*，周旭5,6,*1北京大学前沿交叉学科研究院，人工微结构与介观物理国家重点实验室，北京 100871 2中国人民大学物理学系，北京 100872 3北京大学物理学院，人工微结构与介观物理国家重点实验室，北京 100871 4昆明理工大学冶金与能源工程学院，省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，昆明 650031 5华南师范大学物理学院，广东省量子调控工程与材料重点实验室，广州 510006 6华南师范大学物理前沿科学研究院，粤港量子物质联合实验室，广州 510006 摘要：摘要：随着通信技术的快速发展和广泛应用，光纤通信以其高容量和低损耗的优势，已成为现代信息通信的基础。在光纤通信系统中，光调制器是实现光信号调制的关键器件之一，通常基于块状晶体的电学和光电子学器件。然而，这类器件会影响光在高密度传输过程中的质量，限制了光纤通信实现高速和高容量性能的潜力。为了解决这个问题，研究人员一直致力于开发全光纤器件，可以在不中断光纤传输过程的情况下对光信号进行调制、放大和检测。近年来，设计和制造了许多具有不同结构的新型光纤。其中，二维材料在光调制领域引起了人们的广泛关注，因为它们具有可以增强光与物质之间相互作用的独特性质。基于二维材料复合光纤的光纤型调制器有望为光纤通信带来新的机遇。在本文中，我们将介绍将二维材料与不同结构的光纤进行复合的各种方法，例如光纤端面复合、孔内壁复合、拉锥复合和侧剖复合。这些方法可以有效地整合二维材料和光纤的优势，创造出具有高性能和功能性的新型光调制器。我们还将举例介绍一些基于二维材料复合光纤的光调制器，例如基于MoS2的全光波长调制器、基于石墨烯的电光吸收调制器和基于MXene的热光相位调制器。这些器件可以通过利用二维材料的光学、电学或热学性质来调制光信号的波长、强度或相位。这些器件可以通过改变二维材料折射率的实部和虚部来实现对光信号的调制。此外，我们还将总结二维材料复合光纤调制器在不同领域(如全光、电光和热光)的调制原理、过程和应用。我们将与基于块状晶体器件的传统光调制器进行优缺点比较，并讨论它们在提高光纤通信系统性能和效率方面的潜力。最后，我们将讨论二维材料复合光纤领域所面临的机遇和挑战，并提出未来研究方向和发展前景。关键词：关键词：光纤；二维材料；调制器；二维材料复合光纤；全光调制；电光调制；热光调制 中图分类号：中图分类号：O649 1 引言引言 通信技术伴随着人类社会的发展而不断演进。从最早的口耳相传、驿马飞鸽，到后来的电报电话，再到如今信息时代的互联网和移动通信，人们目睹了通信技术的蓬勃发展和巨大影响。随着科技的飞速发展，各种应用如4K直播、远程医疗、万物互联和人工智能等迅速兴起，推动网络数据的互联规模呈指数级增长。在信息时代的快速发展下，传统的通信方式已经无法满足日益增长的数据传输需求，人们迫切需要一种具有更低传输物理化学学报 Acta Phys.-Chim.Sin.2023,39(10),2306026(3 of 20)损耗和更高带宽的通信介质来应对这一挑战。光纤是一种具有极低传输损耗和宽波段的优良光波导，已经被广泛应用于长距离、高速和大容量的数据传输1。因此，以光纤为载体，通过传输光子进行互联的光通信技术正在逐渐成为当代信息通讯的基础2。光纤通信系统一般包含信源、调制器、载波源、光纤、光放大器、光中继器、检测器(解调器)、信号处理器和信宿等部分。其中调制器、载波源、中继器和解调器等往往基于电学和光电子学器件。当光通过这些器件的时候，其高速和宽带传输过程会被打断，这不利于光纤通信的高速和高容量发展。因此，人们一直致力于在光纤通信系统中采用全光纤器件，以确保光信号在光纤传输过程中的调制、放大和探测不会中断。例如，目前的光通信系统中，光调制器和光纤作为分立的两个单元，为了实现信号的转换和传输，需要使用耦合装置将它们连接起来，这增加了系统的复杂性和成本，并可能引入额外的损耗和信号失真3。为了解决这些问题，可将光调制器与光纤复合成为全光纤型调制器，实现高效的光耦合，降低信号损耗和失真，提高系统的性能和可靠性。然而，传统的光纤结构和体材料特点限制了光调制器与光纤的全光纤化复合。因此，寻找新型的光纤结构与材料，探索全光纤型调制器的复合方法成为当前一个新兴且重要的研究方向(图1)。近年来，以石墨烯为代表的二维原子晶体材料在光调制领域引起广泛关注420，为全光纤型器件的发展提供新的设计思路与策略，同时也带来机遇与挑战2127。二维材料在光调制方面具有天然优势：(1)二维材料种类繁多，结构丰富，具备与体材料迥异的新奇光电性能，应用场景更加丰富28；(2)二维材料的光学响应范围广，可覆盖紫外至太赫兹波段，因此能够实现宽频带的光学调制。这意味着二维材料可以在不同波长范围内对光信号进行有效的控制，满足多种光通信和光信息处理的需求29；(3)由于二维材料具有较高载流子迁移率，因而具备极快的调制速度。例如，石墨烯的室温迁移率超过15000 cm2V1s1 30，低温(1.5 K)迁移率高达150000 cm2V1s1 31。而目前电子信息产业最常用的低掺杂硅的室温迁移率仅有1350 cm2V1s1 32。这意味着二维材料对外界作用的响应时间非常短，可用于实现高速光信号调制以及高效率光通信和光信息处理；(4)二维材料具有较高的光学非线性极化率，与之关联的多种非线性效应可用于各种光调制过程。这意味着二维材料在与光进行相互作用过程中可以实现高效的光信号控制，降低能耗和成本3336；(5)二维材料大多为层状材料，其中，层内由化学键连接，层间由弱范德华力相互作用。这种特性使得二维材料容易剥离成厚度只有原子级的单层或少层薄片结构。凭借原子级厚度的结构有利于与其他光学和电学结构复合，避免了晶格失配问题，拥有广泛的应用潜力(图2)。所以，二维材料可与其他材料或器件进行灵活的组合，实现多功能和多结构的光学调制器件37。综上，二维材料在光调制方面具有宽频带、高速、高效和灵活易集成的特点。二维材料的光调制过程与其复折射率(innk)密切相关。其中，实部n决定了光在介质中的传播过程，对应于对光的色散和相位调制；虚部k决定了光在介质中的吸收过程，对应于对光幅值的调制。通过改变外部环境中的光场、电场和温度等因素可以调控二维材料的复折射率18,29。基于二维材料的光学调制方法大致可分为三类(图1a)：光激发法、栅压调控法和温度控制法。这三种方法分别对应全光调制、电光调制和热光调制。全光调制和电光调制可以通过改变载流子分布来调节复折射率的虚部，进而影响光的吸收，实现光的幅值调制。另外，非线性光学参量过程利用复折射率的实部 图图 1 光调制手段及原理示意图光调制手段及原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of optical modulation methods and principles.(a)Schematic diagram of common light modulation methods(all-optical,electro-optic,and thermo-optic modulation).(b)Schematic diagram of crystal modulator.(c)Schematic diagram of all-fiber modulator.物理化学学报 Acta Phys.-Chim.Sin.2023,39(10),2306026(4 of 20)实现频率调控。电光普克尔效应和电光克尔效应利用复折射率的实部实现相位调制。与电学和光学调制过程相比，二维材料本身的热光调制过程较弱。因此，二维材料的热光调制过程常常将热量传导至波导或衬底，改变整个结构的折射率，之后再通过干涉或谐振结构最终实现对信号光的相位调制。所以基于二维材料出色的光调制性能，可以将其与不同结构的光纤进行复合，实现低损耗、宽波段和高速度的全光纤光调制器(图1b，c)。从20世纪末到21世纪初，光纤结构的设计与制造技术经历了蓬勃发展，各种新型光纤如侧剖光纤(Side-Polished Fiber，SPF)、光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)和微纳光纤(Micro-nano Fiber，MF)等相继诞生3843。这些新型光纤结构在光学传输模式、色散和非线性效应等方面各具独特优势，拓展了光纤的应用领域。基于各种不同光纤结构，二维材料能够以不同方式与其进行复合以实现对光的调制(如图3所示)。(1)端面复合是将二维材料转移或生长在光纤端面上的一种简单且常见的复合方式。大部分采用普通单模或者多模光纤进行端面复合，且光纤端面作为天然的平面可以较好兼容微纳加工工艺，制作各种复杂光学结构和电学结构。这种复合方式可以最大限度地减少二维材料对光传输模式的影响。然而，其局限性在于光与二维材料的相互作用距离被限制在二维材料厚度的纳米量级(例如石墨烯层间距为0.33 nm、六方氮化硼的层间距为0.33 nm、二硫化钼的层间距为0.62 nm、黑磷的层间距为0.53 nm)，导致其绝对调制深度往往比较小27,44。(2)侧剖复合和拉锥复合方式是先精确加工制备特定尺寸的侧剖光纤或拉锥微纳光纤，然后将二维材料 图图 3 常见二维材料复合光纤体系示意图常见二维材料复合光纤体系示意图 Fig.3 Schematic diagram of common two-dimensional material hybrid fiber system.In the figure,the light green represents the cladding of the optical fiber,the dark green represents the core of the optical fiber,and the purple represents the transferred or grown two-dimensional materials.“Fiber end-face composite”refers to the two-dimensional materials being transferred or grown on the end-face of a regular optical fiber.“Intra-hole wall composite”refers to the two-dimensional materials being grown or filled within the void of a holey optical fiber.“Tapered composite”refers to the two-dimensional materials being transferred or grown in the tapered region.“Side-polished composite”refers to the two-dimensional materials being transferred or grown on the side-polished plane.图图 2 常见二维材料示意图常见二维材料示意图 Fig.2 Schematic diagram of common two-dimensional materials.物理化学学报 Acta Phys.-Chim.Sin.2023,39(10),2306026(5 of 20)生长或转移至光纤的侧剖面或拉锥区域。在这种复合方式中，光通过纤芯进行传输，并通过倏逝场与二维材料相互作用。这种相互作用的强度取决于二维材料在光传输方向上的几何尺寸(通常为微米量级)，可以显著增强光与物质之间的相互作用强度。然而，侧剖复合和拉锥复合的制备工艺相对复杂，难以实现大规模制备4548。(3)孔内壁复合方 式 是 通 过 化 学 气 相 沉 积(Chemical Vapor Deposition，CVD)等方法在光子晶体光纤、反谐振光纤或毛细管等光纤的空气孔内壁上生长二维材料。原子级厚度的二维材料既不会破坏光纤传输模式，又可以赋予光纤更多二维材料的奇特物性，与多孔或空心结构一同实现传统光纤或传统二维材料无法实现的独特功能。然而，这种复合方法受限于光纤空气孔的微小尺寸，其内部生长的二维材料的尺寸和质量面临巨大挑战，仍有待提高4953。本文综述了采用以上不同种类的二维材料复合光纤在全光、电光和热光调制领域的过程与应用。全光调制方面，我们将介绍基于折射率虚部的被动锁模与全光开关、超连续光谱展宽与偏振控制，以及基于折射率实部的光学参量转换过程。电光调制方面，我们将介绍基于折射率虚部的电致光吸收效应和基于实部的电光克尔与电光普克尔效应。随着二维材料复合光纤领域的不断发展，我们可以期待在光通信光信息处理等领域中出现更多创新和多功能的全光纤器件，为人类社会的通信技术和科技发展带来更大的推动力。2 二维材料复合光纤全光调制二维材料复合光纤全光调制 近些年，基于二维材料复合光纤的全光调制过程逐渐引起人们的关注和研究，它有望在下一代超快速率、超低功耗的光通信系统中发挥重要作用，为实现信号处理的全光通信提供一种全新的设计思路和理念。目前，全光调制器研究主要包括可饱和吸收体(Saturable Absorber，SA)27,44、全光开关54、光学参量转换器50和偏振控制器46等多种器件领域。这些器件主要利用二维材料的强非线性光学响应，尤其是与三阶非线性极化率相关的光学过程，而非线性极化率可用复折射率和非线性系数进行表示。其中，三阶非线性极化率的虚部Im(3)在基于吸收的全光调制中起着关键作用，例如实现激光器被动锁模的可饱和吸收效应。而实部Re(3)则负责非线性参量过程，如四波混频和三次谐波产生29,55。这些全光调制器具有宽带宽、快速响应和小型尺寸的特点，使其适用于紧凑、集成的全光学调制应用。2.1 被动锁模器与全光开关被动锁模器与全光开关 根据信号光由自身或其他光束进行调制，基于吸收的全光调制过程可分为被动调制和主动调制，分别对应于可饱和吸收器和全光开关两种类型。可饱和吸收器是指具有对入射光的吸收率随着入射功率的增大而减小，直至达到饱和现象的材料。它是一种利用非线性效应产生超短脉冲的被动光调制器件，常用于实现锁模激光输出。在被动锁模过程中，可饱和吸收器对入射脉冲的峰值部分具有较高的透过率，而脉冲边沿部分的透过率较低。入射光多次经过可饱和吸收器，脉冲不断变窄，直到与群速度色散引起的脉冲展宽达到平衡，从而形成脉冲宽度在皮秒或飞秒量级的超短脉冲。锁模光纤激光器输出的超短脉冲还具有较高的峰值功率，在光通信56,57、材料加工58,59、光频梳60,61、光谱学62,63等领域广泛应用。传统的可饱和吸收器通常是分子束外延生长的半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorption Mirror，SESAM)64，它广泛应用于半导体激光器、超快光纤激光器和固体激光器中。然而，半导体可饱和吸收镜也有其自身的局限性，包括恢复时间长(皮秒级)、窄带工作(100 GHz)96。因此，全光开关作为一种全光调制方案，没有电-光-电转换的过程，其工作功耗更低，在高带宽、低功耗等方面具有巨大潜力。全光开关通过利用具有高光子能量(短波长)的开关光对具有低光子能量(长波长)的信号光进行调制，实现了信号光吸收的“开”和“关”的调控。当信号光入射二维材料时，材料吸收部分信号光导致其衰减，透过率降低。然而，当引入光子能量高于二维材料费米能级两倍的开关光时，它将激发电子从价带跃迁至导带，而带间跃迁引发的泡利阻塞效应将吸收阈值转移到更高的能量区域导致信号光的衰减减少，透过率增大(图4e)。全光开关的关键性能指标包括响应时间、阈值功率、调制深度和插入损耗等。由于二维材料与光纤的容易复合且开关光引起的折射率变化很小，光纤的波导模式不会明显改变，因此人们研制了结构紧凑的二维材料复合光纤全光开关。在2013年，Liu等人在低折射率的MgF2基底上使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)支撑的石墨烯覆盖了直径为8 m的微纳光纤表面，制作出了调制速度为1 MHz、调制深度为13 dB、插入损耗为15 dB的全光开关97。然而，由于石墨烯与光之间的相互作用不够充分，该结构实现高调制深度需要较高功率的开关光和信号光。在2014年，Li等人报道了一种采用石墨烯包覆微纳光纤的全光调制器，其中双层石墨烯包覆在腰直径约为1 m、长度为2 mm的单模微纳光纤上(图4f)54。当1.55 m的连续信号光和1.06 m的脉冲开关光(5 ns，2.4 kHz)经过石墨烯包覆微纳光纤时(图4g)，在开关光脉冲持续期间，信号光的吸收损耗减小，从而切换出纳秒级的信号脉冲，实现了对信号光的有效调制(图4h)。由于石墨烯的光激发载流子的弛豫时间仅有几皮秒66，因此所测得的响应时间约为2.2 ps，对应于高斯脉冲的最大调制速率约为200 GHz。石墨烯包覆微纳光纤全光开关具有较大的调制深度(38%)和高饱和吸收峰值阈值功率(40 W)。为了降低饱和吸收的阈值，2015年，Meng等人制作了基于掺杂石墨烯的聚合物纳米光纤，其饱和吸收阈值为1.3 W。可以通过使用1064 nm波长的纳秒脉冲光作为开关光，对1550 nm的信号光进行全光调制98。通过增加光与石墨烯之间的相互作用强度，Chen等人制作了立体石墨烯微纳光纤结构，其相互作用长度为12 mm，调制深度为7.5 dB，但插入损耗较高99。通过进一步优化光纤和石墨烯的几何形状，可以在调制深度和插入损耗之间实现良好的平衡。除了微纳光纤，侧抛光纤也已被应用于全光开关。2016年，Zhang等人将旋涂聚乙烯醇缩丁醛(PVB)的石墨烯膜附着在侧抛光纤上，相互作用长度为5 mm，制作了具有极低插入损耗(1 dB)的全光调制器，其调制深度为9 dB，速度达到0.5 THz 100。物理化学学报 Acta Phys.-Chim.Sin.2023,39(10),2306026(8 of 20)除石墨烯之外的其他二维材料也可以作为有效的全光开关材料，例如，2017年，Zhang等人设计了一种将MoSe2与微纳光纤复合的全光开关，用405和980 nm的开关光控制1550 nm的信号光，改变开关光功率，信号光分别获得约2和30 dB的相对功率变化101。原则上，在激发波长与二维材料带隙共振时有潜力实现有效的全光有源调制，如利用异质石墨烯-光纤微腔中的电控光频梳。通过改变原子厚石墨烯的费米能级，同时实现了可调吸收，可控Q因子61。利用TMD实现可见光调制，或者利用黑磷实现中红外光调制102。在过去的10年中，基于二维材料复合光纤的全光开关取得了很大的进展，实现了高调制深度，超短响应时间和低开关阈值。全光开关的调制速度仅受到开关光频率的限制,响应时间较短一般为皮秒量级，是最有希望达到二维材料理论速度极限的一种调制器。期望在未来二维材料复合光纤全光开关会成为光通信等领域的基石。2.2 光学参量转换与超连续光谱展宽光学参量转换与超连续光谱展宽 全光信号调制在当代光通信领域展现出巨大的潜力103,104，作为其中一种关键的非线性功能器件，光学参量转换器的工作原理与材料的二阶和三阶非线性效应密切相关。非线性光学材料通过诸如倍频、和频、差频和四波混频等效应输出波长与入射光不同的光。基于光纤的光学参量转换器主要是利用光纤的高非线性效应来实现的。人们已经利用色散位移光纤、光子晶体光纤等光纤的四波混频(Four Wave Mixing，FWM)105、交叉相位调制106和Raman散射效应107实现了波长转换，并证明其具有超快的响应速度和宽的工作带宽等特点，但是要求光纤具有高非线性效应。二维材料复合光纤具有比光纤更高的非线性折射率和更宽的工作波长范围，并且具备兼容性和稳定性的特点，因此在作为高效光学参量转换器方面具有巨大的潜力50,108。由于石英光纤的原子结构的中心对称性，理论上是没有光纤二阶非线性过程产生。二维材料，例如TMD、GaSe，具有非常强的二次谐波产生(SHG)、和频产生(SFG)和差频产生(DFG)等二阶非线性效应。通过将二维材料与光纤进行复合，可以将二维材料的这些非线性过程赋予光纤，也可以通过光纤的高品质波导增强光与二维材料相互作用产生更强的非线性光学效应45,50,108。例如，2019年，Chen等人对WS2复合拉锥光纤中的SHG响应进行了系统研究，获得了比未转移WS2的拉锥光纤高20倍以上的SHG信号强度，并证明了应变可以有效地调控WS2复合拉锥光纤中的SHG 109。为了进一步提高转换效率和获得更强的SHG信号，2020年，刘忠范院士团队在25 cm长的空心光纤中生长了单层MoS2，并测试了其SHG和三次谐波产生(THG)效应(图5a)。相比于熔融石英基底上的单层MoS2，MoS2-空芯光纤的SHG和THG效应均增强了约300倍，能量转换效率有潜力达到104到103数量级(图5b)50。然而，空心光纤一般具有较大的模场面积以获得低的传输损耗，且光束能量主要集中在空心区域，二维材料功能层处的光能量密度较低，限制了光和物质相互作用强度，从而限制了转换效率。因此，Ngo等人于2022年将单层MoS2生长在长度为3.5 mm的悬芯光纤表面，与裸纤进行比较，结果显示当输入功率分别为20和80 mW时，MoS2复合悬芯光纤的SHG转换效率分别增加了1113倍和600倍110。此外，相较于TMD等二维材料，GaSe具有更强的二阶非线性效应35，能够获得更高的转换效率，并在可见光到太赫兹波长范围内实现有效的光学频率转换111。2020年，Jiang等人在微纳光纤上沉积了少层GaSe纳米片，由于微纳光纤的强倏逝场和GaSe的超高二阶非线性效应，仅使用亚毫瓦连续光激光器就能有效地实现SHG和SFG，并在15001620 nm的波长范围内实现波长调谐。与裸纤相比，复合了GaSe的微纳光纤的SHG强度提高了4个数量级以上108。基于三阶非线性效应的四波混频是指由两个或三个波长之间相互作用产生两个或一个新波长的现象，是相位敏感的参量过程。四波混频是二维材料复合光纤的另一个重要应用，并广泛应用于光学参量转换、光学参量放大和超连续谱等现代光学领域(图5c)112。2012年，Xu等人将石墨烯转移到光纤的端面，利用四波混频实现了参量转换，转换效率达到30 dB 113。随后，2014年，Wu等人采用附着石墨烯膜的微纳光纤，在接触长度为10 mm的情况下，将四波混频效率提高至28 dB，并在1550 nm附近实现了4.5 nm的波长调谐114。2015年，同一团队优化了微纳光纤的直径和接触距离等参数，采用改进的石墨烯/微纳光纤混合波导，使用波长为1.55 m的高功率脉冲激光作为泵浦源，实现了多阶级联的四波混频。他们使用可调谐的连续波信号光，在跨越15 nm以上的范围内产生了数十条级联的四波混频信号(图5d)，信号光和泵浦光的失谐范围可从0调谐到5 nm，转换效率高达20 dB 115。然而，石墨烯的低损伤阈值可能限制其在强光与物质相互作用的光学参量转换器中的应用。因此，人们开始使用其他二维材料与光纤结物理化学学报 Acta Phys.-Chim.Sin.2023,39(10),2306026(9 of 20)合来实现基于四波混频的光学参量转换。例如，使用黑磷116、铋烯117、锑烯118、MXene(化学通式为Mn+1XnTx，其中n=13，M为过渡金属，如Ti、Zr、V、Mo等；X代表C或N元素，Tx为表面基团，通常为OH、O、F或Cl)119、拓扑绝缘体120等材料。其中，Chen等人使用了二维拓扑绝缘体Bi2Te3，该材料具有比石墨烯更大的非线性克尔系数。他们利用光学沉积法在微纳光纤上涂覆Bi2Te3，实现了基于四波混频的光学参量转换，具有更宽的调谐范围(6.4 nm)和转换效率(34 dB)，且损伤阈值高于20 dBm 120。二维材料复合光纤光学参量转换器具有易于与现有通信基础设施复合的优势，可实现高性能频率调制，并在全光信号处理、变频光纤激光光源和光纤传感器等领域广泛应用。超连续光谱是指当超短脉冲泵浦光入射到非线性光学材料中时，由于多种非线性效应共同作用，导致原始泵浦光的光谱显著展宽