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成功案例

  该办事所闪现的电光调制器的办事频率目前还不高,这不妨是因为以离子液体举动栅压调控介质,其对换制电压的反响速率较慢变成。可能预念,跟着相干考虑的延续深刻,光纤上直接发展石墨烯的质地和可控性将会进一步普及,种种新型电光调制介质资料将延续显现,石墨烯光纤电光调制器件的职能也将延续普及,为饱舞和拓展石墨烯光电子资料的界限化制备及“撒手锏”操纵开导了新的途径。

  扼要先容邦外里重刊物上揭橥的亮点考虑效率, 评介其更始点和对该界限考虑的开辟。

  光子晶体光纤因为自己周期性的微孔洞构造而具备很众守旧光纤无可比较的诡秘本质,于是正在无截止的单模光纤、超不断光谱激光器、光频梳、光孤子传输、大功率飞秒脉冲传送等方面有着空阔的操纵前景。近年来,考虑者通过向光子晶体光纤的孔洞中涂覆或灌注固体、气体、液体或液晶等功用性物质来告竣对光的操控,并找寻其正在锁模激光器、外面等离激元、受激拉曼散射等诸众界限的操纵。跟着石墨烯等二维资料的富强开展,将石墨烯引入光纤的微构造成为资料学、光子学等界限普及眷注的热门。正在以往考虑中,考虑者通过两种途径制备石墨烯与光纤的复合构造:一种是将化学气相浸积法发展的石墨烯薄膜变化到侧掷光纤或微纳光纤外面;另一种是将石墨烯微片注入到光子晶体光纤的孔内。从道理上讲,这两种途径都是行使石墨烯与光纤中传输的倏逝波之间激烈的彼此效用,告竣对光的汲取和操控,从而授予光纤新的功用或拓展其操纵界限。然而,这些石墨烯光纤正在制备进程中弗成避免地会引入毁伤和杂质,从而败坏光纤的传输形式,且此中光与石墨烯的彼此效用长度也仅正在微米量级。怎样高效、无损、批量化的制备石墨烯光子晶体光纤成为一个挑拨。基于此,北京大学刘忠范和刘开辉课题组及其配合家于2019年8月12日正在Nature Photonics揭橥了题为“Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light-matter interaction”的著作,初度提出一种行使化学气相浸积本事正在光子晶体光纤外面直接发展高结晶度石墨烯的办法,告竣了石墨烯正在半米级长度光子晶体光纤的孔洞内壁近乎全部的笼盖。进一步地,基于石墨烯的宽波带可饱和汲取本质,该石墨烯光子晶体光纤拼装成的电光调制原型器件,告竣了正在较低驱动电压(~2 V)下高达20 dB/cm的调制深度,从而使高度可调谐全光纤电光调制器的缔制成为不妨。

  该考虑团队基于前期正在石英、蓝宝石等绝缘基底上发展石墨烯的阅历,正在无金属催化剂要求下告竣了长间隔石墨烯光子晶体光纤的可控发展。通过操纵流体力学外面中气体分子流和粘滞流模子,他们解析和斗劲了正在低压和常压反映系统下光子晶体光纤孔洞中反映气体滚动举止的分歧,寻找了低压和常压下光纤孔洞内发展石墨烯产生厚度匀称性分歧的起因,告竣了长达0.5 m的薄层石墨烯(1~2层)笼盖的光子晶体光纤的可左右备。基于这种非常复合构造的石墨烯光纤,激光模场漫衍的数值仿真解析证明,光纤内传输光束的大一面能量仍被管束正在纤芯内部,并可以以倏逝波的局势与纤芯近来邻孔内壁上的石墨烯举行激烈耦合。激光透过率实行结果发觉,与未发展石墨烯的光子晶体光纤差异,石墨烯光子晶体光纤对光具有很激烈的汲取(衰减系数8.3 dB/cm,约等于外面模仿1~2层石墨烯的衰减系数)。通过向该石墨烯光子晶体光纤孔内灌注离子液体,并对石墨烯施加栅压调控,可能转变石墨烯的化学势,进而影响石墨烯光纤的透光率,告竣电光信号的调制。他们发觉,通过施加栅压调控石墨烯的化学势,当化学势大于和小于入射光子能量之半时,即可告竣电光调制器件的“开”态和“合”态。当栅压为1.8 V时,该器件正在1310和1550 nm相近两个光纤通信波段差别抵达了13和20 dB/cm的调制深度。

  石墨烯与光纤器件的集成近年来从来是资料学和光电子学交叉界限的考虑热门。之前的办事中,考虑者大家是将预先制备好的石墨烯薄膜或粉体通过变化、涂覆或填充的办法告竣与光纤构造的耦合,这些办法得回的石墨烯光纤复合资料往往存正在石墨烯污损、杂质众、加工工艺杂乱,以及石墨烯与光彼此效用面积小等题目,吃紧影响了光纤自己传输光束的形式和质地,也晦气于高职能光纤器件的界限化制备。刘忠范和刘开辉课题组这一办事初度行使化学气相浸积发展的办法,正在保留光纤原有构造基础褂讪的根源上引入了具有诡秘光电本质的石墨烯薄层,明显加强了光纤的功用,也为二维资料与光纤复合构造的缔制翻开了一扇大门,具有树范性和引颈性的效用。

  (a) CVD法发展Gr-PCF的示企图。正在PCF外面面和内壁上发展石墨烯。(b) Gr-PCF端面的扫描电子显微镜(SEM)图像。(c,d) PCF端面上石墨烯的拉曼2D模的Mapping图像(c)和拉曼光谱(d)。(e) 0.5 m长Gr-PCF的光学实物照片。(f) Gr-PCF电光调制器的办事道理。当石墨烯的EF ω/2(或EF ω/2)时,石墨烯汲取(或不汲取)光,调制器办事正在“封闭”(或“开启”)形态,从而告竣光信号的调制。(g) Gr-PCF光调轨制随栅极电压和光波长的变更。(h) 光波长为1310和1550 nm时的电光调制弧线