北京石墨烯研究院刘忠范/刘开辉团队：石墨烯光子晶体光纤最新研究进展

光子晶体光纤（PCF）是近二十年来光纤领域发展的最重要成果之一，它是一种具有周期性孔道排布的人工微结构材料。PCF与气体、液体、固体和液晶等功能材料的集成，能够极大地扩展其在光子、光电子器件领域的应用。石墨烯的兴起强烈地激发了其与PCF结合的研究兴趣，使得电场可调谐、宽波带响应和全光集成等多功能光纤光子器件变为可能，在光通信、光传感和非线性光纤光学等领域展现出广阔的应用前景。前期，研究者们通过将石墨烯薄膜转移到侧抛或微纳光纤上，或将石墨烯微片填充进PCF孔洞中，已经实现了石墨烯-光纤复合结构的制备与强的光物质相互作用。然而，这些研究工作大多局限于石墨烯和光纤的小面积集成，耦合效率较低，且与实际应用所需要的规模化光纤材料制造要求相去甚远。因此，开发能够大规模生产的石墨烯光纤材料的新方法有着迫切的需求。

最近，北京大学、北京石墨烯研究院刘忠范院士、刘开辉研究员团队，首次开发了利用化学气相沉积法制备长度可达半米的石墨烯光子晶体光纤材料（Gr-PCF）。在PCF外表面和内部孔壁上实现了不同厚度和均匀性的石墨烯薄膜的原位全覆盖生长。石墨烯光子晶体光纤具有强烈且可调的光与物质相互作用，衰减系数高达8 dB cm^-1（悬浮单层石墨烯只有0.1 dB）。基于Gr-PCF制备的电光调制器具有宽频带响应特性（1150–1600 nm），在2V低电压调控下即可实现~20 dB cm^-1@1550 nm的深度调制。相关成果以“Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light–matter interaction”为题发表在国际顶级期刊Nature Photonics上（DOI: 10.1038/s41566-019-0492-5）。陈珂研究员、周旭博士与程旭博士生为论文共同第一作者，刘忠范院士、刘开辉研究员为论文共同通讯作者。

 图1 石墨烯光子晶体光纤的制备及表征

本论文报道了常压化学气相沉积（APCVD）和低压化学气相沉积（LPCVD，压力0.5-1.0 kPa）可控制备石墨烯光子晶体光纤的方法，获得了半米长的石墨烯光纤材料，为避免杂质影响未引入金属催化剂，克服了孔道内部石墨烯均匀生长的难题。在生长温度为1100 °C和不同压力的条件下，在PCF内部狭小的孔洞 (~4 μm)中实现了石墨烯层的均匀生长（图 1）。生长后的PCF内部的二氧化硅层依然可以保持其结构的完整性，该结构由纤芯和周围的包层区域组成，包层区域具有横向周期排列的气孔，石墨烯生长在PCF的外表面和内部孔壁上。石墨烯在长距离孔内壁的均匀可控生长得益于甲烷等反应前驱体的流体力学行为调控。在气体粘滞流条件（APCVD）下，气体碳源受到传质过程的限制，石墨烯生长厚度不均一。而在LPCVD生长条件下，根据分子流模型可知气体流动接近自由分子流动状态，传质过程可忽略不计。这就可以很容易地生长出厚度均匀、长度可达半米的Gr-PCF材料。这样的Gr-PCF复合结构具有以下独特的优势：（1）石墨烯的柔性使其可以紧密贴合在PCF的表面或孔壁；（2）仅有原子厚度的石墨烯保持了PCF结构和主要功能的完整性和不变性；（3）石墨烯赋予了传统光纤所不具备的独特光电功能。

图2 石墨烯光子晶体光纤电光调制器

在光子学应用方面，Gr-PCF这种新材料具有强烈的光与石墨烯的相互作用（透过率衰减可达~8 dB cm^-1）。通过离子液体栅压调控，实现了电场可调节的光吸收强度。所制备的电光调制器具有高调制深度（~20 dB cm^-1 @1550 nm），宽波带响应（1150-1600 nm）和低电压（< 2 V）调制等特性。该Gr-PCF调制器具有与其他光学器件集成的巨大潜力和优势，为实现全光纤系统中光的同步传输、调制和检测一体化提供了可能。该工作为基于Gr-PCF材料的石墨烯工业化应用开辟了新途径，也为开发新型石墨烯光子学器件如锁模光纤激光器、波长无关的非线性波长转换器、宽带偏振器、宽带可饱和吸收器和光限幅器等提供了广阔的平台。本论文的主要合作者还包括加州大学伯克利分校王枫教授、芬兰阿尔托大学孙志培教授。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市石墨烯专项计划的支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-019-0492-5

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