混合集成單層二硫化鎢的微納光纖：光纖非線性增強與調控

  南京大學徐飛教授、張學進教授、陸延青教授團隊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中，實現了全光纖器件中激子發(fā)光的增強與二階非線頻率轉換的調控。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、力和熱學等特性，而得到研究者廣泛關注，并在基礎物理和應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諧振腔、表面等離激元和波導等結構來增強光-二維材料相互作用，并取得了眾多進展。

  微納光纖作為光纖光學與納米技術的連接橋梁，可以實現微米尺度甚至納米尺度光-物質相互作用，在傳感、非線性光學、量子光學等領域有著重要應用。將二維材料集成到微納光纖波導體系中，利用波導內稟的表面疏逝場效應與物質相互作用，可以突破二維材料的物理尺寸限制，實現增強的光-物質相互作用。另外，由于微納光纖與現有光纖通訊網絡的高度兼容性，二維材料-微納光纖復合器件可以直接適用于光纖通訊系統(tǒng)，具有巨大的應用前景。

  圖 1 (a)應變調控WS2-微納光纖復合波導示意圖;(b)實驗測試應變調控WS2激子發(fā)光波長;(c)實驗測試應變調控復合波導二次諧波產生。

  南京大學研究團隊利用有機物薄膜輔助的微轉移技術，將化學氣相沉積法制備的單層單晶WS2薄膜可控地轉移包裹到亞波長直徑的石英光纖表面，實現了復合波導在近紅外波段(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-谷電子效應和二階非線性效應等。在這一工作中，他們系統(tǒng)地研究了波導增強的WS2激子的光吸收和熒光發(fā)射強度，如波導耦合的WS2激子共振吸收強度比自由空間耦合提高了6倍以上。

  單層WS2由于中心反演對稱破缺，產生較強的二階非線性，他們通過波導結構的設計，實現了近紅外光泵浦的二次諧波轉換效率比裸光纖提高了約20倍。進一步，他們在實驗上首次展示了應變調控的WS2-微納光纖器件的性能，實現了波導耦合的WS2激子光吸收、光發(fā)射波長的動態(tài)改變，以及二次諧波轉換效率的切換。這種設計和調控策略可以推廣到其它二維材料體系，為微納光纖波導集成二維材料的高性能、可調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。該研究由國家重點研發(fā)計劃、自然科學基金重點項目資助完成，同時感謝人工微結構科學與技術協(xié)同創(chuàng)新中心、中央高校基本科研業(yè)務費等平臺與項目的大力支持。