集成二维材料非线性光学特性研究进展.pdf

综述集成二维材料非线性光学特性研究进展刘宁1)2)3)刘肯1)2)3)朱志宏1)2)3)1)(国防科技大学前沿交叉学科学院,长沙410073)2)(国防科技大学,新型纳米光电信息材料与器件湖南省重点实验室,长沙410073)3)(国防科技大学,南湖之光实验室,长沙410073)(2023年 5月 5 日收到;2023年 6月 11 日收到修改稿)全光信号处理中具有优异非线性光学特性的光子平台对于提升器件的集成度、调制速度以及工作带宽等性能参数至关重要.成熟的硅、氧化硅以及氮化硅光子平台由于材料本身中心对称,基于这些平台的集成光子器件可实现的非线性光学功能受限;二维材料尽管有着优异的非线性光学特性,但只有原子层厚,其非线性潜能无法被充分利用.将二维材料与成熟的光子平台集成,在充分利用光子平台成熟加工工艺的基础上,可以显著提高光与二维材料的相互作用,提升光子平台的非线性光学性能.基于以上背景,本文总结了近年来在基于转移方法和直接生长法制备的多种异质集成二维材料光子器件中进行非线性光学特性研究的最新进展;阐述了相较于传统转移方法,基于直接生长方法进行集成二维材料非线性光学研究的优势以及未来需要解决的技术难点;指明了该领域未来的研究发展趋势;并指出直接在各种成熟的光子平台上生长二维材料进行集成非线性光学特性的研究会对未来光通信、信号处理、光传感以及量子技术等领域的发展产生深远影响.关键词：硅/氮化硅光子平台,二维材料,光子集成,非线性增强,材料生长PACS：42.65.k,42.65.Ky,78.67.n,81.07.bDOI:10.7498/aps.72.202307291引言集成光子学近来发展迅猛1,2,是 5G 通信和信号处理等领域的一种关键技术36.集成光子芯片的数据传输容量以及调制速率等参数远优于传统的电子芯片7,8.借助材料的非线性光学特性可实现频率转换9、全光调制10以及光谱展宽11等多种功能,因此芯片材料的非线性特性对提升器件集成度、调制速度及工作带宽等性能参数至关重要12.绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)制备工艺成熟,与互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor,CMOS)工艺兼容,同时具有较大的克尔非线性13,在集成非线性领域具有广泛的应用1416.虽然基于硅(Si)材料可以制备出超低损耗的集成光学元件17,但是在通信波段Si 材料固有的双光子吸收(two-photonabsorp-tion,TPA)以及自由载流子吸收(free-carrierabsorp-tion,FCA)效应限制了 SOI 元件在光通信领域的应用18,19;相比之下,氮化硅(Si3N4)材料在通信波段的 TPA 效应基本可以忽略20,加之其较强的克尔非线性、宽透明窗口、高折射率以及成熟的微纳加工工艺等优势2124,是通信波段一种较为理想的集成非线性光学平台.但是由于 Si 和 Si3N4材料本身的中心对称性,二者不具有二阶非线性,集成光子平台的非线性功能受限25.在充分利用现有较为成熟的集成光子平台的基础上,可以尝试在单一的光子平台中引入新的具有优异非线性光学特性的材料26,在不破坏光学模式分布以及光传输特性的前提下,提升集成平台的非线性光学表现.通信作者.E-mail:通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)174202174202-1以石墨烯27为代表的多种二维材料2830具有优异的非线性光学特性31,32,在频率转换、光调制以及光开关等非线性光学领域都有着广泛的应用3342.然而,受限于其原子层厚度,光与二维材料之间的相互作用受限,其优异的非线性光学潜能无法被充分利用43.将二维材料与成熟的光子平台44集成是充分发挥二维材料优异非线性光学特性的一种理想解决方案45:首先,二维材料具有原子层厚度,与光子平台集成时不会破坏其中的光场分布以及光的传输特性;其次,二维材料表面自然钝化,没有悬空键,与光子结构集成时不用考虑晶格失配的问题;最后,集成平台中光与二维材料的相互作用增大,突破了二维材料原子层厚度的限制4649,从而显著提升集成平台的非线性光学性能.本综述从非线性光学的基本原理出发(第 2节),总结了近年来在基于传统转移方法(第 3 节)和新兴的直接生长法(第 4 节)制备的多种集成二维材料-光子平台(谐振腔、超表面、光纤、片上波导等)中进行非线性光学特性研究的最新进展.直接在各种光子结构上生长二维材料克服了传统转移方法存在的各种弊端;但同时如何精确控制二维材料的生长位置,如何实现在纳米结构上均匀连续地生长二维材料等问题也亟待解决.相较于传统转移法,基于直接生长法还有很多领域亟待探索,如图 1 中红色字体部分所示.未来直接在各种成熟的光子平台上直接生长二维材料进行集成光学非线性的研究将是该领域的一个研究热点,持续深入的研究也会对光通信、信号处理、光传感以及量子技术等领域的发展产生深远影响.2非线性光学基本原理P(r,t)E(r,t)P(r,t)PL(r,t)PNL(r,t)非线性光学现象发生的一个前提条件是强光与非线性介质的相互作用50.由于激光的发现,1961 年,Franken 等51第一次在石英中发现了二次谐波的产生(secondharmonicgeneration,SHG)现象,开启了非线性光学实验研究的大门.非线性光学过程可以通过材料的极化 相对于入射光场 的泰勒级数展开52来理解,其中 包括线性极化部分 和非线性极化 部分:P(r,t)=PL(r,t)+PNL(r,t),(1)PL(r,t)=(1)E(r,t),(2)PNL(r,t)=(2)E(r,t)2+(3)E(r,t)3+(n)E(r,t)n,(3)(n)其中,为 n 阶电极化率.(1)当光强较弱时,非线性极化率部分可以忽略不计,只考虑线性光学过程.(2)式中 决定材料的线性折射率,与材料的折射和吸收特性相关53.集成二维材料非线性光子平台基于转移方法(第3部分)二阶非线性增强(3.1)相互作用强度增强(3.1.1)腔增强(3.1.1.1)等离激元增强(3.1.1.2)超表面增强(3.1.1.3)相互作用长度延长(3.1.2)光纤集成平台(3.1.2.1)片上集成平台(3.1.2.2)三阶非线性增强(3.2)光纤集成平台(3.2.1)片上集成平台(3.2.2)基于直接生长法(第4部分)二阶非线性增强(4.1)光纤集成平台(4.1.1)片上集成平台(4.1.2)腔/等离激元/超表面增强(待探索)三阶非线性增强(4.1)光纤集成平台(4.2.1)片上集成平台(待探索)图1集成二维材料非线性光子平台研究框架Fig.1.Researchframeworkofnonlinearphotonicplatformsintegratedwithtwo-dimensionalmaterials.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)174202174202-2E(r,t)(2)(2)(3)(n)(3)(2)当光强较强时(一般需要在 105108V/m之间),会发生非线性光学过程,(3)式中的 与二阶非线性过程相关,如 SHG,和频产生(sumfre-quencygeneration,SFG)等.在具有中心对称性的材料中数值为零,常见的 Si,氧化硅(SiO2),Si3N4材料平台都因材料本身的中心对称性而不具有二阶非线性;与材料的三阶非线性光学过程相关,如三次谐波产生(thirdharmonicgeneration,THG),四波混频(fourwavemixing,FWM),自发相位调制(selfphasemodulation,SPM)等.所有材料都具有三阶非线性,与材料是否具有中心对称性无关;为高阶电极化率,与高阶非线性过程相关.以石英为例,从理论上推算,石英的 比其 低 11 个数量级54,触发同一种材料平台中的高阶非线性过程所需场强要比触发低阶非线性过程高得多.因此,二阶和三阶非线性过程是研究最为广泛的非线性光学过程.常见非线性过程的能量转变图如图 2 所示.SHG334221123SFGTHGFWM(a)(b)(c)(d)图2非线性光学过程中典型的频率转换过程能量示意图,其中包括二阶非线性过程中的 SHG(a)和 SFG(b)以及三阶非线性过程中的 THG(c)和 FWM(d)Fig.2.Typical energy diagrams of frequency conversionprocess in nonlinear optical processes,including SHG(a)andSFG(b)insecond-ordernonlinearprocessandTHG(c)andFWM(d)inthird-ordernonlinearprocess.3基于转移方法制备的集成二维材料非线性光子器件 3.1 二阶非线性过程增强的二维材料集成平台二维材料中的二阶非线性光学过程(主要包括 SHG 和 SFG 过程)在许多经典和量子应用中扮演着十分重要的角色55.二维材料中二阶非线性过程增强的思路可分为两种:一是使用各种光子结构(谐振腔、表面等离激元、介质超表面等)增大局域光场的强度,将二维材料与上述光子结构集成,提高光与二维材料相互作用的强度(见 3.1.1节);二是将二维材料与微纳光纤56,57或片上微纳结构集成,通过倏逝场与二维材料的相互作用增大光与二维材料的相互作用长度(见 3.1.2 节).3.1.1光与二维材料相互作用强度增强的集成平台 3.1.1.1 二维材料中腔增强的 SHG 过程单层过渡金属硫族化合物(transitionmetalchalcogenides,TMDCs)为直接带隙半导体,带隙覆盖可见光到近红外光谱范围,具有很高的非线性,是集成非线性光子器件研究中较为理想的一种二维材料5863.将二维材料与各种光学微腔集成,借助腔内光场的谐振增强效应可实现 SHG 的显著增强.2016 年,Yi 等64基于微机电系统设计了一种可调谐的片上法布里-珀罗(F-P)谐振腔,通过改变电压就可以调节 F-P 腔的长度,进而改变谐振条件.将单层硫化钼(MoS2)置于其中(图 3(a),实现了SHG 信号3300 倍的增强;2016 年,Day 等65将单层 MoS2转移至由分布式布拉格反射镜(distri-butedBraggreflector,DBR)构成的 F-P 腔中间(图 3(b),通过增强腔内泵浦光束与二维材料的相互作用强度实现 SHG 的增强.然而,上述两个工作中的 F-P 腔都是微米量级,很难做到片上集成,且腔的品质因子(qualityfactor,Q 值)不够高,SHG 的触发需要较高的功率条件.因此,2017 年,Fryett 等66将机械剥离的单层硒化钨(WSe2)与 Si 光子晶体谐振腔集成(图 3(c),通过在光子晶体腔模式附近泵浦,借助泵浦光子与腔模式之间的耦合效应实现了 SHG 约 200 倍的增强;然而,上述基于腔增强的 SHG 过程使用的泵浦源都是脉冲激光器,需要较高的峰值功率.借助GaSe 材料超高的二阶非线性67以及光子晶体腔中的局域模式谐振,2018 年,Gan 等68将二维硒化镓(GaSe)与 Si 光子晶体集成(图 3(d),实现了在二维 GaSe 中低功率连续波激光器泵浦条件下的高效 SHG 过程.2020 年,Han 等69提出了一种纳米颗粒置于镜面上的系统(图 3(e),当此纳米腔的表面等离激元共振波长与单层硫化钨(WS2)的二次谐波波长发生共振时,就可以实现 SHG 的显著增强;2022 年,物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)174202174202-3Shi 等70将单层 WS2置于 Si 的孔洞阵列上方,借助 F-P 腔内电场的增强以及悬空二维材料中激子震荡强度的增强,实现了 SHG 约 600 倍的增强;该课题组还设计了一种简易的二次谐波信号放大器,将 MoS2/WS2异质结构悬空置于具有孔洞结构的 SiO2/Si 衬底上,在 355470nm 波长范围内实现了高效的 SHG 过程71.3.1.1.2 二维材料中等离激元增强的 SHG 过程除了利用各种光学腔增强光与二维材料的相互作用强度外,也可以利用表面等离激元或介质超表面实现对泵浦光场的局域及增强,从而实现SHG 的增强.图 4 所示为二维材料-金属表面等离激元集成结构中 SHG 增强的研究进展.2018 年,Wang 等72将单层 WSe2转移到带有纳米沟槽的金(Au)薄膜上(图 4(a),借助沟槽对外部激励场的局域增强作用,实现了可见光波段 SHG 信号约 7000 倍的增强;类似地,2018 年,Shi 等73将单层 WS2与亚波长银(Ag)纳米槽光栅集成,通过调谐表面等离激元模式与 WS2的二次谐波频率共振,实现了单层 WS2中 SHG 约 400 倍的增强;2018 年,Chen 等74将生长在蓝宝石衬底上单层 WS2转移至预先制备的Au 超表面上(图 4(c),实现了可见光波段的有效非线性频率转换;不同于以前报道的金属光栅结构,2021 年 Leng 等75提出了一种单层 MoS2置于悬空的穿孔 Ag 薄膜上的集成结构.为了避免二维材料转移到金属薄膜上后材料损坏或者污染,他们还在穿孔的 Ag 薄膜和二维材料交界面处设计了Si3N4的薄膜结构(图 4(d).当泵浦激光的中心波长与集成体系的表面等离激元模式共振时,室温条件下该混合结构的 SHG 强度有超过 3 个数量级的增大.AgDBRITOGlassSiSU-8(a)SiNSiO2MoS2(b)(c)(d)PC cavityFew-layer GaSe5 mm600Wavelength/nm80604020Intensity/arb.units0700PL(e)AgDQIAgnanocubeAg filmehWS2Off cavityOn cavity5 mm(f)图3二维材料中腔增强的 SHG 过程研究进展(a)二维材料中 SHG 的光机械增强64;(b)二维 MoS2中腔增强的 SHG65;(c)单层 WSe266以及(d)层状 GaSe68中 Si 光子晶体腔增强的 SHG;(e)单层 WS2-Ag 纳米腔中谐波谐振增强的 SHG69;(f)单层WS2置于 Si 基底上实现 SHG 的增强70Fig.3.Researchprogressoncavity-enhancedSHGprocessin2Dmaterials:(a)OptomechanicalenhancementofSHGin2Dmaterial64;(b)microcavityenhancedSHGin2DMoS265;siliconphotoniccrystalcavityenhancedSHGfrommonolayerWSe266(c)andlayeredGaSe68(d);(e)harmonicresonanceenhancedSHGinamonolayerWS2Agnanocavity69;(f)enhancementofSHGfrommonolayerWS2onSisubstrate70.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)174202174202-4 3.1.1.3 二维材料中介质超表面增强的 SHG 过程除了金属表面等离激元结构,使用介质超表面结构增强二维材料中的 SHG 过程也有着广泛的研究.与金属表面等离激元相比,介质超表面结构没有欧姆损耗,有更高的激光损伤阈值,预期可以实现高转换效率的 SHG 过程以及对非线性过程的灵活控制76.2018 年,Gan 等68就在二维的 GaSe-Si 光子晶体腔集成系统中实现了低功率连续波激光器泵浦条件下的高效 SHG 过程.2019 年,该课题组将二维的 GaSe 纳米片与 Si 超表面集成(图 5(a),实现了高效的频率上转换过程(SHG 和 SFG)77;2020 年,Bernhardt 等78设计了一种谐振的面内不对称介电超表面,该超表面支持一种高 Q 值的光学谐振,即连续束缚态(boundstatesinthecontinuum,BIC).将单层 WS2与此超表面集成(图 5(b),研究人员实现了单层 WS2中 SHG 超 3个数量级的增强;2020 年,Zhang 等79设计了一种基于 Si3N4结构的亚波长光栅结构,将单层 MoS2与该亚波长光栅结构集成(图 5(c),通过调谐激光器的泵浦波长与该集成结构谐振,实现了单层 MoS2中 SHG 约 170 倍的增强;为了推进二维材料-介电超表面的规模化制备,2021 年,Lchner 等80将通过化学气相沉积(chemicalvapordeposition,CVD)生长的单层 MoS2与经过谐振设计优化的 Si 超表面集成(图 5(d),在实验中实现了 SHG 近 40 倍的增强.3.1.2光与二维材料相互作用长度增加的集成平台3.1.1 节中梳理的相关研究是利用谐振结构实现对泵浦光场的局域增强,进而增强光与二维材料相互作用的强度实现集成平台中二阶非线性过程的增强.此外,将二维材料与光纤或片上微纳结构集成,借助倏逝场与二维材料的相互作用,可以延长光与二维材料的相互作用长度,实现二阶非线性过程的增强.3.1.2.1 二维材料-光纤集成平台中的 SHG 增强2019 年,Chen 等81利用转移的方法将单层WS2与微光纤(microfiber)集成(图 6(a),借助微光纤中倏逝场与二维 WS2的相互作用,实现了WS2-微光纤集成结构中 SHG20 倍的增强.220(a)WS2 monolayerQuartz substrate(c)222WS2Al2O3Silver(b)2MoS2AgAgSiSiNSiN(d)图4二维材料中等离激元增强的 SHG 过程研究进展(a)柔性衬底上单层 WS2中等离激元增强的 SHG72;(b)单层 WS2中等离激元增强的光学非线性73;(c)WS2Au 纳米孔洞集成超表面在可见光波段实现非线性超透镜74;(d)单层 MoS2置于悬空的金属纳米结构上通过等离激元谐振效应实现 SHG 的增强75Fig.4.Researchprogressonplasmonic-enhancedSHGprocessin2Dmaterials:(a)Plasmon-enhancedSHGfrommonolayerWS2onflexiblesubstrates72;(b)plasmonicenhancementofopticalnonlinearityinmonolayerWS273;(c)WS2Aunanoholehybridmetasur-facefornonlinearmetalensesinthevisibleregion74;(d)enhancedSHGinmonolayerMoS2onsuspendedmetallicnanostructuresbyplasmonicresonances75.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)174202174202-5SHG1Laser12121Laser2GaSeSiliconSHG2SFG(a)WS2 flakeSi(b)Silicon nitrideSilicon dioxideSilicon(c)2GlassSiMoS2(d)图5二维材料中介质超表面增强的 SHG 过程研究进展(a)Si 超表面与二维 GaSe 集成实现 SHG 和 SFG77;(b)WS2单层中准 BIC 谐振增强的 SHG78;(c)借助 Si3N4亚波长光栅结构实现单层 MoS2中 SHG 的增强79;(d)混合介电超表面上 MoS2单层中SHG 的增强80Fig.5.ResearchprogressonSHGprocessenhancedbydielectricmetasurfacein2Dmaterials:(a)SHGandSFGfromaSimetasur-faceintegratedwith2DGaSe77;(b)quasi-BICresonantenhancementofSHGinWS2Monolayers78;(c)enhancementofSHGinmonolayerMoS2byaSi3N4subwavelengthgrating79;(d)hybriddielectricmetasurfacesforenhancingSHGinMoS2monolayers80.SHGPLhhh(a)GaSe layerSHGSFG1+2121+21212(b)(c)InSe coatingMicrofiber111SMFHCFMMF(d)Optical adhesive with GaSenanosheetsSMFSHGMMF=2.6 mmSCF withGaSe nanosheets22(e)图6(a)基于转移方法制备的单层 WS2-光纤纳米线混合结构实现 SHG 的增强81.(b)(e)基于溶液法制备的二维材料-光纤集成结构实现二阶非线性过程增强的研究进展(b)少层 GaSe 辅助光学微光纤实现高效的二阶非线性过程82;(c)连续波泵浦的 InSe 集成的微光纤中频率上转换84;(d)填充有 GaSe 纳米片的 HCF 结构示意图85;(e)GaSe 纳米片集成的 SCF 实现 SHG 过程86Fig.6.(a)EnhancedSHGinhybridWS2-optical-fiber-nanowirestructurepreparedbytransfermethod81.(b)(e)Researchprogressonenhancementofsecond-ordernonlinearprocessof2Dmaterial-opticalfiberintegratedstructurespreparedbysolutionmethods:(b)High-efficiencysecond-ordernonlinearprocessesinanopticalmicrofibreassistedbyfew-layerGaSe82;(c)continuous-wavepumpedfrequencyupconversionsinanInSe-integratedmicrofiber84;(d)schematicofaHCFfilledwithGaSenanosheets85;(e)SCFwithembeddedGaSenanosheetsforSHG86.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)174202174202-6除了单层 TMDCs 具有优异的二阶非线性光学特性外,层状的 GaSe 材料在二阶非线性领域也有着广泛的应用.2020 年,Jiang 等82利用滴覆技术将少层 GaSe 纳米片与微光纤集成(图 6(b),借助 GaSe 材料超高的二阶非线性实现了集成结构中 SHG 的显著增强;类似地,2021 年该课题组利用热光沉积83的方法将具有高二阶非线性系数的硒化铟(InSe)与微光纤集成(图 6(c),在连续波激光器泵浦条件下实现了全光纤结构中的高效二阶非线性过程84.上述 3 个工作中利用的都是微光纤,但是由于微光纤的结构特性,集成后二维材料都是直接暴露在空气中,很容易受到周围环境因素如振动、灰尘以及氧气等影响.因此需要寻找更加稳定的集成光纤平台.2022 年该课题组将少层 GaSe 与空芯光纤(hollow-corefiber,HCF)(图 6(d)85以及悬芯光纤(suspendedcorefiber,SCF)(图 6(e)86集成,同样实现了二维材料-光纤集成结构中高效的二阶非线性过程.3.1.2.2 二维材料-光纤集成平台中的 SHG 增强将二维材料与片上波导或微环谐振腔集成,同样可以增大光与二维材料的相互作用长度,实现二阶非线性过程的增强.2017 年,Chen 等87将单层硒化钼(MoSe2)与 Si 波导集成(图 7(a),借助 Si平板波导中的倏逝场与二维材料的相互作用,实现了单层MoSe2中SHG 的5 倍增强;介电氧化钛(TiO2)纳米线在可见光波段有较高的折射率和较低的损耗,是片上集成平台中一种较为理想的研究平台.2019 年,Li 等88将单层 MoS2与单根TiO2纳米线集成(图 7(b),实现了 MoS2/纳米线集成结构中 SHG 强度 2 个数量级的增强;2022年,Wang 等89将少层GaSe 纳米片与Si3N4微环谐振腔集成(图 7(c),借助 GaSe 材料的超高二阶非线性特性以及微环腔中的谐振增强效应,在连续波激光器泵浦的条件下实现了高效的倍频及和频转换过程;2023 年哈尔滨工业大学(深圳)与香港理工大学合作,将具有优异二阶非线性特性的层状SnP2Se6与Si3N4微环谐振腔集成(图 7(d),实现了 SHG 的增强以及 SHG 辅助的通信波段高性能光电探测器90.3.2 三阶非线性过程增强的二维材料集成平台n2材料非线性折射率 是反映材料三阶非线性SHGSubstrateWGSHGWGpumpSiNGaSe-SiN microringSFG1212(c)SnP2Se6SourcedsDrainSiN waveguideSubstrate(d)MoSe2BOX(SiO2)c-Si-Si2(a)TiO222MoS(b)图7基于转移方法制备的二维材料-片上集成平台中二阶非线性增强的研究进展(a)Si 波导上二维 MoSe2中 SHG 的增强87;(b)单层 MoS2与 Ti02纳米线集成实现 SHG 的增强88;(c)少层 GaSe 与 Si3N4微环集成实现高效的 SHG 和 SFG 过程89;(d)SHG辅助的 SnP2Se6光电探测器90Fig.7.Researchprogressonenhancedsecond-ordernonlinearprocessenabledbyintegrated2Dmaterial-on-chipintegratedplat-formspreparedbytransfermethods:(a)EnhancedSHGfromtwo-dimensionalMoSe2onaSiwaveguide87;(b)enhancementofSHGinaTiO2nanowireintegratedwithmonolayerMoS288;(c)high-efficiencySHGandSFGinaSi3N4microringintegratedwithfew-layerGaSe89;(d)aschematicoftheSHG-assistedSnP2Se6photodetector90.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)174202174202-7n2(3)的关键参数之一,即在强光条件下,反映光强导致的折射率的改变,也称为光学克尔效应.非线性折射率 与三阶电极化率 直接相关:n2=3Re(3)4cn020,(4)cn00其中,为光速,为线性折射率,为真空介电常数.闭孔(closed-aperture,CA)Z 扫描(Z-scan)是一种用来测量二维材料非线性折射率的典型方法91:将二维材料置于泵浦脉冲激光器以及光阑-光功率计中间,移动二维材料的位置(沿 Z 轴)得到透射光功率与二维材料所处 z 位置的关系.然后对得到的曲线进行拟合就可以得到相应二维材料的非线性折射率.表 1 为近年来基于 Z 扫描方法得到的常见二维材料(石墨烯、氧化石墨烯、TMDCs、黑磷等)的非线性折射率.可以看出即使是同一种二维材料,在不同的厚度及不同的泵浦波长条件下根据实验结果拟合出的非线性折射率都有一定的不同.Si,SiO2以及 Si3N4材料在通信波段的非线性折射率在 10181019量级,表 1 中列出的不同二维材料的非线性折射率要比上述三种平台高出28 个数量级.因此,将层状的二维材料与成熟的光子平台集成,在不破坏集成平台光学模式分布以及光学传输特性的基础上,还可以赋予平台更优异的三阶非线性光学特性.3.2.1二维材料-光纤集成平台中的三阶非线性增强借助石墨烯在宽光谱范围内的超高三阶非线性,2015 年 Wu 等100在石墨烯包覆的微光纤(graphene-coatedmicrofiber,GCM)结构中实现了级联的 FWM 过程.图 8(a)为 GCM 的结构示意图,其中微光纤的制备是将标准单模光纤(single-modefiber,SMF)浸泡在氢氟酸中经过化学刻蚀制成;然后通过湿法转移的手段实现CVD 生长的石墨烯对微光纤的包覆作用.当微光纤上没有石墨烯材料时,在较高的泵浦功率条件下n2表1基于 Z 扫描法测量出的不同二维材料的非线性折射率 Table1.Nonlinearrefractiveindexn2ofdifferent2DmaterialsmeasuredbyZ-scanmethod.二维材料厚度泵浦波长/nmn2/(m2W1)参考文献发表年度气相生长的石墨烯单层1550101192201257层11502400(0.55-2.5)1013932016化学合成的氧化石墨烯2m8007.510139420141m15504.51014952017气相生长的硫化钼25m1064(1.880.48)1016962016气相生长的硫化钨0.75nm1040(1.280.03)1014972016气相生长的硒化钨11.4nm1040(1.870.47)1015机械剥离的黑磷15nm10301.641012982018气相生长的硒化铂20层8001.331015992020GCMMicrofiberSMF(a)SMFG claddingMicrofiberSectional viewMoS2Polymer(b)图8基于转移方法制备的三阶非线性增强的二维材料-光纤集成平台(a)GCM 中实现级联四波混频过程100;(b)MoS2覆盖的单模光纤示意图101Fig.8.2D material-optical fiber integrated platforms with enhanced third-order nonlinear process based on transfer methods:(a)GenerationofcascadedFWMwithGCM100;(b)schematicofaMoS2-coatedSMF101.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.17(2023)174202174202-8并未在微光纤中观察到四波混频现象.但是在相同的泵浦功率条件下,GCM 中就可以在15461558nm波段内观察到的级联四波混频现象.2018 年,Zhang 等101提出了图 8(b)所示的一种基于少层 MoS2覆盖边侧抛光光纤的三阶非线性增强的集成平台,其中使用了高折射率的聚合物(polymer)用于覆盖二维材料.聚合物除了能起到提高器件稳定性和耐用性的作用外,还可以提高二维材料的光学限制因子.最终借助集成器件中三阶非线性的增强实现了对入射光谱的展宽.3.2.2二维材料-片上集成平台中的三阶非线性增强由于 Si 材料具有较大的克尔非线性系数102,所以在 Si 基集成平台中不引入新的高三阶非线性材料在一定入射光强条件下也可以观察到 THG等三阶非线性光学效应103.此外,通过制备特殊的硅基光子结构,如光子晶体波导104,105,悬空薄膜波导25,悬空的 Si 微环谐振腔106等,也可以实现三阶非线性的增强.石墨烯的克尔系数要比 Si 大 56 个数量级107,将单层石墨烯与 Si 波导108110或微环谐振腔111集成,可以实现 SPM 或者 FWM 等三阶非线性效应的增强.早在 2015 年,笔者所在团队就基于转移方法实现了石墨烯/Si 波导集成结构中三阶非线性过程的增强108.图 9(a)为飞秒激光脉冲在石墨烯/Si 集成波导中传播的示意图.当Si 脊形波导上无石墨烯覆盖时(图 9(b-i),尽管Si 具有较高的克尔非线性,但在较高泵浦功率条件下并未观察到明显的光谱展宽效果(图 9(b-ii);将单层石墨烯转移到 Si 波导上之后(图 9(c-i),可以从图 9(c-ii)看出,在相同泵浦条件下,由于集成波导三阶非线性的增强,泵浦脉冲出现明显展宽;但是由于单层石墨烯的厚度只有 0.34nm,将石墨烯转移到 Si 波导的上表面后,光与二维材料只能通过较弱的倏逝场耦合,相互作用受限112,石墨烯超高的克尔非线性未得到充分利用;因此笔者团队提出将石墨烯转移到Si 波导上后,再沉积Si02和Si3N4来提高石墨烯层中的电场强度.从图 9(d-ii)中可以看出对于相同功率的类 TM 模,沉积有 Si02和Si3N4的石墨烯/Si 混合波导中光谱展宽效果进一步提升.此外,Ji 等111在 2015 年将单层石墨烯与半径为 10m 的 Si 微环谐振腔集成(图 10(a),实现了FWM 转换效率最大6.8dB 的增强;2019 年Feng等110将单层石墨烯与 Si 波导集成(图 10(b),实现了石墨烯/Si 集成波导中 SPM 效应的增强.1.00.80.6Intensity/arb.units0.40.21530154015501560Wavelength/nm157015800Experimentalresults(TE)Experimentalresults(TM)Numericalresults(b-ii)1.00.80.6Intensity/arb.units0.40.21530154015501560Wavelength/nm157015800ExperimentalresultsNumericalresults(c-ii)1.00.80.6Intensity/arb.units0.40.21530154015501560Wavelength/nm157015800ExperimentalresultsNumericalresults(d-ii)Si3N4SiSiO2(d-i)SiSiO2Graphene(c-i)SiSiO2(b-i)SiSiO2(a)图9石墨烯/Si 非线性脊形波导中的超快脉冲传播108(a)超快脉冲在石墨烯/Si 混合脊形波导中传播的示意图;Si 脊形波导(b-i),石墨烯/Si 脊形波导(c-i)以及石墨烯/Si 类狭缝波导(d-i)的示意图;飞秒脉冲沿着 Si 脊形波导(b-ii),石墨烯/Si 脊形波导(c-ii)以及石墨烯/Si 类狭缝波导(d-ii)传播后的实验测得的以及数值计算的输出光谱Fig.9.Ultra-fast pulse propagation in nonlinear graphene/Si ridge waveguide108:(a)Schematic of ultra-fast pulse propagationalongthehybridgraphene/siliconridgewaveguide;schematicofaSiridgewaveguide(b-i),agraphene/Siridgewaveguide(c-i)andagraphene/Sislot-likeridgewaveguide(d-i);experimentallymeasuredandnumericallycalculatedoutputspectraofthefemto-secondpulsespropagatingalongtheSiridgewaveguide(b-ii),thegraphene/Siridgewaveguide(c-ii),andthegraphe