北京大学《自然-光子学》：石墨烯光子晶体光纤材料及器件研究取得重要突破...

来源：两江科技评论

导读

2019年8月12日，北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士团队、刘开辉研究员课题组与合作者首次报道开发出米级石墨烯光子晶体光纤材料和器件，相关成果以“Graphene Photonic Crystal Fibre with Strong and Tunable Light-Matter Interaction” 为标题发表在《自然-光子学》杂志上。  

研究背景

石墨烯具有独特的宽谱能量范围狄拉克电子能带结构，表现出优越的光学和光电子学性质，非常有望为下一代光电探测器和光电集成芯片领域带来变革性应用，是目前科学界和产业界最“炽手可热”的新材料之一。然而，石墨烯仅有单原子层厚度，其光与物质相互作用的绝对强度很低（吸收2.3%，或者衰减0.1 dB），很难应用于真实光学器件中。因此，增强石墨烯的光与物质相互作用强度是实现石墨烯光学器件规模化应用的必要基础。光纤作为最高品质的光学波导器件（光学衰减可小于0.2 dB/km），是现代数字通讯的核心基石，开发光纤的全新功能是目前光纤研究的前沿方向。石墨烯和光纤这两种诺奖级材料的结合有望带来两个方向的重要突破：（i）增强光与石墨烯的相互作用，推动石墨烯的光学应用方向产业化；（ii）赋予光纤全新功能从而实现新型光纤器件应用。

创新研究

研究人员探索出利用低压化学气相沉积法在石英光纤内的小孔表面成功生长出石墨烯薄膜从而制备成石墨烯光子晶体光纤。石墨烯光纤在0.5米的长度范围内层数可控，成为一种可规模化应用的宏观材料。同时，实验证明该新型光纤材料表现出非常强的光与物质相互作用（光衰减率高达8 dB/cm）和优越的电学可调性。基于离子液体栅压技术的石墨烯光纤电光调制器具备宽光谱响应范围（1150 nm-1600 nm）、高调制深度（~20 dB/cm @1550 nm）、低工作电压（~2V）、全光纤系统兼容等优点。以上研究成果可进一步推广至其他二维材料、光纤复合材料和器件的研究，并有望依托光纤工业成熟的平台而推动石墨烯及其他二维材料的规模化应用。

石墨烯光子晶体光纤 （a）化学气相沉积法制备示意图;（b）光强随长度的衰减；（c）电光调制器结构示意图；（d）调制深度随工作电压改变。

 文章链接

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