本文介绍了一种通过化学气相沉积(CVD)方法在抗共振空心光纤(ARF)中垂直堆叠的六方氮化硼/
石墨烯(hBN/Gr)异质结构，用于调节光纤的光学共振，从而增强石墨烯的非线性光学性能。通过控制hBN的厚度，实现了从4%到10%的非线性光学调制深度的显著增加，并将全光调制性能提高了75%。该方法为通过直接生长功能性二维材料基异质结构实现可调谐光学波导提供了可能，为高度集成的光子器件的发展提供了一个稳健的平台。
抗共振空心光纤(ARF)通过利用光学抗共振在宽波长范围内引导光，具有超低传输损耗和高传输速度等优越性能，重塑了光通信领域。此外，ARF通过重新设计和重绘光纤或在纤芯中填充功能气体来调节光学共振，从而推动了从滤波器和频率梳到量子源等多样化集成全光纤器件的发展。然而，这两种方法通常受到再制造复杂性和有限精度或环境不稳定性以及与现有石英光纤平台不兼容性的限制。将固态二维(2D)
纳米材料与ARF集成提供了一个有前景的替代方案。尽管如此，由于单层2D材料对调节ARF光学共振的贡献微乎其微，而增加其厚度到功能水平会损害其固有的优越性能或引起强光吸收，导致不希望的传输损耗，因此其应用受到限制。六方氮化硼(hBN)因其在厚度增加时具有大且稳定的带隙(约6.0 eV，对应于>207 nm的光透明度)而成为ARF集成的理想候选材料，用于调节其光学共振。
主要内容
研究者们通过在ARF的空气孔中垂直堆叠hBN/Gr异质结构，利用顺序化学气相沉积(CVD)过程，成功地调节了光纤的光学共振。通过引入富含羟基的甲醇作为修饰剂，有效抑制了石墨烯的附加层，从而实现了更光滑的表面，使得hBN层能够均匀且可控地沉积。这种可调性允许对ARF中的光学共振进行显著调整，并增强了光-石墨烯相互作用。结果表明，hBN/Gr-ARF的非线性光学调制深度显著增加，从约4%增加到约10%，同时全光调制器的性能提高了约75%。该方法为通过直接生长功能性二维材料基异质结构实现可调谐光学波导提供了可能，为高度集成的光子器件的发展提供了一个稳健的平台。
实验细节
研究者们通过顺序沉积石墨烯和hBN层在ARF表面合成了hBN/Gr异质结构。在石墨烯生长过程中，使用甲烷作为碳前驱体，并引入甲醇蒸汽作为生长修饰剂。在随后的步骤中，使用氨硼烷(BH3NH3)在约90°C下升华进行hBN生长。异质结构沉积后，ARF保持了其原始结构完整性，包括完整的空心芯和周期性空气孔。
创新点
1.hBN/Gr异质结构的成功合成：通过CVD方法在ARF的空气孔中成功合成了高质量的hBN/Gr异质结构。
2.光学共振的调节：通过调整垂直堆叠的hBN层的厚度，显著调节了ARF的光学共振，从而增强了光-石墨烯相互作用。
3.非线性光学调制性能的提升：实现了从4%到10%的非线性光学调制深度的显著增加，并将全光调制性能提高了75%。
4.全光调制器的应用：利用hBN/Gr-ARF的非线性光学调制能力，开发了一种可控且高效的全光调制器，展现出显著的强度调制和更高的归一化泵浦诱导差分透射率。
结论
研究者们成功地在ARF中合成了高质量的hBN/Gr异质结构，并通过调整hBN层的厚度显著调节了光纤的光学共振，从而增强了光-石墨烯相互作用，并显著提高了全光调制器的性能。该方法为通过直接生长功能性二维材料基异质结构实现可调谐光学波导提供了可能，为高度集成的光子器件的发展提供了一个稳健的平台。这种策略不仅适用于hBN和石墨烯，还可以扩展到其他二维纳米材料，为在固定结构的波导中调节光学特性(如色散、双折射和非线性系数)提供了一个多功能平台。
图1. ARF基底上hBN/Gr异质结构的生长。(a)ARF上两步法生长hBN/Gr异质结构示意图。(b)hBN/Gr-ARF的截面SEM图像。(c)沿光纤轴向不同位置的hBN/Gr-ARF拉曼光谱。(d)沿光纤轴向不同位置的二次谐波(SHG)信号。(e)刻蚀ARF后hBN/Gr带的原子力显微镜(AFM)图像。(f)hBN/Gr-ARF的截面TEM图像，标注了ARF、石墨烯(Gr)、hBN和金(Au)保护层区域。(g)沿(f)图中白线从A点到B点的电子能量损失谱(EELS)线扫描分析。(h)hBN厚度随BH3NH3前驱体投料量的变化关系，误差棒表示标准偏差。
图2. ARF基底上hBN/Gr堆叠结构的调控。(a)BCN/Gr合成示意图：BN倾向于附着在石墨烯附加层边缘形成面内结构。(b)hBN/Gr合成示意图：BN在无附加层石墨烯上垂直堆叠。(c,d)未使用甲醇(c)和使用甲醇(d)处理的ARF表面石墨烯域原子力显微镜图像。(e)未处理(蓝线)与甲醇处理(红线)样品的石墨烯附加层百分比分布，每组采集100个数据点。(f)BCN/Gr-ARF(上图)和hBN/Gr-ARF(下图)的XPS B 1s能谱。(g)hBN/Gr的高分辨透射电子显微镜图像。
图3. hBN/Gr-ARF可调光学共振的模拟结果。(a)1550nm波长下hBN/Gr-ARF基模随hBN厚度变化的演化过程。(b)ARF上单层石墨烯沿X轴的归一化电场强度分布，外层与内层石墨烯的电场强度分别为纤芯中心的4.2%和4.5%，量化了沿光纤的光-石墨烯相互作用。(c)1550nm波长下，两个最内层石墨烯位置(如b所示)的总电场强度与纤芯中心强度比(EGr/ECenter)随hBN厚度的变化关系。(d)1310nm波长下EGr/ECenter随hBN厚度的变化。(e)20nm hBN厚度时不同激光波长下的EGr/ECenter，显示950-1100nm范围内相对强度较低，表明存在反共振区域。(f)最大EGr/ECenter对应的hBN厚度与波长关系曲线。
图4. 基于hBN/Gr-ARF的全光调制器。(a)基于石墨烯非线性光学调制的全光调制示意图，λ0和λ1分别表示脉冲泵浦光和连续探测光的波长。(b)hBN厚度约20nm的hBN/Gr-ARF与Gr-ARF的非线性光学调制曲线，实线为根据实验数据(圆圈)拟合的曲线。(c)1550nm波长下不同hBN厚度的hBN/Gr-ARF非线性光学调制深度。(d)在hBN厚度约20nm的hBN/Gr-ARF和Gr-ARF中，1064nm皮秒泵浦光作用下1550nm连续探测光的调制脉冲序列，ΔT表示透射率变化。(e)1064nm脉冲泵浦光作用下980、1310和1550nm连续探测光的全光调制性能，(c)和(e)中的误差棒表示标准偏差(N=3)。
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2025年09月25日 ~ 27日
