核心內(nèi)容

1. 首次提出米級長度石墨烯光子晶體光纖的CVD可控制備技術(shù)。

2. 實現(xiàn)了強烈且可調(diào)諧的光與物質(zhì)相互作用。

3. 提出基于石墨烯光子晶體光纖的電光調(diào)制器件應用。

光子晶體光纖（PCF）是近二十年來光纖領域發(fā)展的最重要成果之一，它是一種具有周期性孔道排布的人工微結(jié)構(gòu)材料。PCF與氣體、液體、固體和液晶等功能材料的集成，能夠極大地擴展其在光子、光電子器件領域的應用。石墨烯的興起強烈地激發(fā)了其與PCF結(jié)合的研究興趣，使得電場可調(diào)諧、寬波帶響應和全光集成等多功能光纖光子器件變?yōu)榭赡埽诠馔ㄐ?、光傳感和非線性光纖光學等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。前期，研究者們通過將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到側(cè)拋或微納光纖上，或?qū)⑹┪⑵畛溥MPCF孔洞中，已經(jīng)實現(xiàn)了石墨烯-光纖復合結(jié)構(gòu)的制備與強的光物質(zhì)相互作用。然而，這些研究工作大多局限于石墨烯和光纖的小面積集成，耦合效率較低，且與實際應用所需要的規(guī)?；饫w材料制造要求相去甚遠。因此，開發(fā)能夠大規(guī)模生產(chǎn)的石墨烯光纖材料的新方法有著迫切的需求。

最近，北京大學、北京石墨烯研究院劉忠范院士、劉開輝研究員團隊，首次開發(fā)了利用化學氣相沉積法制備長度可達半米的石墨烯光子晶體光纖材料（Gr-PCF）。在PCF外表面和內(nèi)部孔壁上實現(xiàn)了不同厚度和均勻性的石墨烯薄膜的原位全覆蓋生長。石墨烯光子晶體光纖具有強烈且可調(diào)的光與物質(zhì)相互作用，衰減系數(shù)高達8 dB cm^-1（懸浮單層石墨烯只有0.1 dB）。基于Gr-PCF制備的電光調(diào)制器具有寬頻帶響應特性（1150–1600 nm），在2V低電壓調(diào)控下即可實現(xiàn)~20 dB cm^-1@1550 nm的深度調(diào)制。相關成果以“Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light–matter interaction”為題發(fā)表在國際頂級期刊Nature Photonics上（DOI: 10.1038/s41566-019-0492-5）。陳珂研究員、周旭博士與程旭博士生為論文共同第一作者，劉忠范院士、劉開輝研究員為論文共同通訊作者。

圖1 石墨烯光子晶體光纖的制備及表征

本論文報道了常壓化學氣相沉積（APCVD）和低壓化學氣相沉積（LPCVD，壓力0.5-1.0 kPa）可控制備石墨烯光子晶體光纖的方法，獲得了半米長的石墨烯光纖材料，為避免雜質(zhì)影響未引入金屬催化劑，克服了孔道內(nèi)部石墨烯均勻生長的難題。在生長溫度為1100 °C和不同壓力的條件下，在PCF內(nèi)部狹小的孔洞 (~4 mm)中實現(xiàn)了石墨烯層的均勻生長（圖 1）。生長后的PCF內(nèi)部的二氧化硅層依然可以保持其結(jié)構(gòu)的完整性，該結(jié)構(gòu)由纖芯和周圍的包層區(qū)域組成，包層區(qū)域具有橫向周期排列的氣孔，石墨烯生長在PCF的外表面和內(nèi)部孔壁上。石墨烯在長距離孔內(nèi)壁的均勻可控生長得益于甲烷等反應前驅(qū)體的流體力學行為調(diào)控。在氣體粘滯流條件（APCVD）下，氣體碳源受到傳質(zhì)過程的限制，石墨烯生長厚度不均一。而在LPCVD生長條件下，根據(jù)分子流模型可知氣體流動接近自由分子流動狀態(tài)，傳質(zhì)過程可忽略不計。這就可以很容易地生長出厚度均勻、長度可達半米的Gr-PCF材料。這樣的Gr-PCF復合結(jié)構(gòu)具有以下獨特的優(yōu)勢：（1）石墨烯的柔性使其可以緊密貼合在PCF的表面或孔壁；（2）僅有原子厚度的石墨烯保持了PCF結(jié)構(gòu)和主要功能的完整性和不變性；（3）石墨烯賦予了傳統(tǒng)光纖所不具備的獨特光電功能。

 圖2 石墨烯光子晶體光纖電光調(diào)制器

在光子學應用方面，Gr-PCF這種新材料具有強烈的光與石墨烯的相互作用（透過率衰減可達~8 dB×cm^-1）。通過離子液體柵壓調(diào)控，實現(xiàn)了電場可調(diào)節(jié)的光吸收強度。所制備的電光調(diào)制器具有高調(diào)制深度（~20 dB×cm^-1 @1550 nm），寬波帶響應（1150-1600 nm）和低電壓（< 2 V）調(diào)制等特性。該Gr-PCF調(diào)制器具有與其他光學器件集成的巨大潛力和優(yōu)勢，為實現(xiàn)全光纖系統(tǒng)中光的同步傳輸、調(diào)制和檢測一體化提供了可能。

該工作為基于Gr-PCF材料的石墨烯工業(yè)化應用開辟了新途徑，也為開發(fā)新型石墨烯光子學器件如鎖模光纖激光器、波長無關的非線性波長轉(zhuǎn)換器、寬帶偏振器、寬帶可飽和吸收器和光限幅器等提供了廣闊的平臺。

本論文的主要合作者還包括加州大學伯克利分校王楓教授、芬蘭阿爾托大學孫志培教授。上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市石墨烯專項計劃的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-019-0492-5