劉寧 劉肯? 朱志宏?

1) (國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)

2) (國(guó)防科技大學(xué),新型納米光電信息材料與器件湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410073)

3) (國(guó)防科技大學(xué),南湖之光實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410073)

全光信號(hào)處理中具有優(yōu)異非線性光學(xué)特性的光子平臺(tái)對(duì)于提升器件的集成度、調(diào)制速度以及工作帶寬等性能參數(shù)至關(guān)重要.成熟的硅、氧化硅以及氮化硅光子平臺(tái)由于材料本身中心對(duì)稱(chēng),基于這些平臺(tái)的集成光子器件可實(shí)現(xiàn)的非線性光學(xué)功能受限;二維材料盡管有著優(yōu)異的非線性光學(xué)特性,但只有原子層厚,其非線性潛能無(wú)法被充分利用.將二維材料與成熟的光子平臺(tái)集成,在充分利用光子平臺(tái)成熟加工工藝的基礎(chǔ)上,可以顯著提高光與二維材料的相互作用,提升光子平臺(tái)的非線性光學(xué)性能.基于以上背景,本文總結(jié)了近年來(lái)在基于轉(zhuǎn)移方法和直接生長(zhǎng)法制備的多種異質(zhì)集成二維材料光子器件中進(jìn)行非線性光學(xué)特性研究的最新進(jìn)展;闡述了相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法,基于直接生長(zhǎng)方法進(jìn)行集成二維材料非線性光學(xué)研究的優(yōu)勢(shì)以及未來(lái)需要解決的技術(shù)難點(diǎn);指明了該領(lǐng)域未來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì);并指出直接在各種成熟的光子平臺(tái)上生長(zhǎng)二維材料進(jìn)行集成非線性光學(xué)特性的研究會(huì)對(duì)未來(lái)光通信、信號(hào)處理、光傳感以及量子技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響.

1 引言

集成光子學(xué)近來(lái)發(fā)展迅猛[1,2],是5G 通信和信號(hào)處理等領(lǐng)域的一種關(guān)鍵技術(shù)[3?6].集成光子芯片的數(shù)據(jù)傳輸容量以及調(diào)制速率等參數(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的電子芯片[7,8].借助材料的非線性光學(xué)特性可實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換[9]、全光調(diào)制[10]以及光譜展寬[11]等多種功能,因此芯片材料的非線性特性對(duì)提升器件集成度、調(diào)制速度及工作帶寬等性能參數(shù)至關(guān)重要[12].絕緣體上硅 (silicon-on-insulator,SOI) 制備工藝成熟,與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS) 工藝兼容,同時(shí)具有較大的克爾非線性[13],在集成非線性領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[14?16].雖然基于硅 (Si) 材料可以制備出超低損耗的集成光學(xué)元件[17],但是在通信波段Si 材料固有的雙光子吸收 (two-photon absorption,TPA) 以及自由載流子吸收 (free-carrier absorption,FCA) 效應(yīng)限制了SOI 元件在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用[18,19];相比之下,氮化硅 (Si3N4) 材料在通信波段的TPA 效應(yīng)基本可以忽略[20],加之其較強(qiáng)的克爾非線性、寬透明窗口、高折射率以及成熟的微納加工工藝等優(yōu)勢(shì)[21?24],是通信波段一種較為理想的集成非線性光學(xué)平臺(tái).但是由于Si 和Si3N4材料本身的中心對(duì)稱(chēng)性,二者不具有二階非線性,集成光子平臺(tái)的非線性功能受限[25].在充分利用現(xiàn)有較為成熟的集成光子平臺(tái)的基礎(chǔ)上,可以嘗試在單一的光子平臺(tái)中引入新的具有優(yōu)異非線性光學(xué)特性的材料[26],在不破壞光學(xué)模式分布以及光傳輸特性的前提下,提升集成平臺(tái)的非線性光學(xué)表現(xiàn).

以石墨烯[27]為代表的多種二維材料[28?30]具有優(yōu)異的非線性光學(xué)特性[31,32],在頻率轉(zhuǎn)換、光調(diào)制以及光開(kāi)關(guān)等非線性光學(xué)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[33?42].然而,受限于其原子層厚度,光與二維材料之間的相互作用受限,其優(yōu)異的非線性光學(xué)潛能無(wú)法被充分利用[43].將二維材料與成熟的光子平臺(tái)[44]集成是充分發(fā)揮二維材料優(yōu)異非線性光學(xué)特性的一種理想解決方案[45]: 首先,二維材料具有原子層厚度,與光子平臺(tái)集成時(shí)不會(huì)破壞其中的光場(chǎng)分布以及光的傳輸特性;其次,二維材料表面自然鈍化,沒(méi)有懸空鍵,與光子結(jié)構(gòu)集成時(shí)不用考慮晶格失配的問(wèn)題;最后,集成平臺(tái)中光與二維材料的相互作用增大,突破了二維材料原子層厚度的限制[46?49],從而顯著提升集成平臺(tái)的非線性光學(xué)性能.

本綜述從非線性光學(xué)的基本原理出發(fā) (第2節(jié)),總結(jié)了近年來(lái)在基于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法 (第3 節(jié))和新興的直接生長(zhǎng)法(第4 節(jié))制備的多種集成二維材料-光子平臺(tái)(諧振腔、超表面、光纖、片上波導(dǎo)等)中進(jìn)行非線性光學(xué)特性研究的最新進(jìn)展.直接在各種光子結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)二維材料克服了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法存在的各種弊端;但同時(shí)如何精確控制二維材料的生長(zhǎng)位置,如何實(shí)現(xiàn)在納米結(jié)構(gòu)上均勻連續(xù)地生長(zhǎng)二維材料等問(wèn)題也亟待解決.相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移法,基于直接生長(zhǎng)法還有很多領(lǐng)域亟待探索,如圖1 中紅色字體部分所示.未來(lái)直接在各種成熟的光子平臺(tái)上直接生長(zhǎng)二維材料進(jìn)行集成光學(xué)非線性的研究將是該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn),持續(xù)深入的研究也會(huì)對(duì)光通信、信號(hào)處理、光傳感以及量子技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響.

圖1 集成二維材料非線性光子平臺(tái)研究框架Fig.1.Research framework of nonlinear photonic platforms integrated with two-dimensional materials.

2 非線性光學(xué)基本原理

非線性光學(xué)現(xiàn)象發(fā)生的一個(gè)前提條件是強(qiáng)光與非線性介質(zhì)的相互作用[50].由于激光的發(fā)現(xiàn),1961 年,Franken 等[51]第一次在石英中發(fā)現(xiàn)了二次諧波的產(chǎn)生 (second harmonic generation,SHG)現(xiàn)象,開(kāi)啟了非線性光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的大門(mén).非線性光學(xué)過(guò)程可以通過(guò)材料的極化P(r,t)相對(duì)于入射光場(chǎng)E(r,t)的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)[52]來(lái)理解,其中P(r,t)包括線性極化部分PL(r,t)和非線性極化PNL(r,t)部分:

其中,χ(n)為n階電極化率.

當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí),非線性極化率部分可以忽略不計(jì),只考慮線性光學(xué)過(guò)程.(2)式中χ(1)決定材料的線性折射率,與材料的折射和吸收特性相關(guān)[53].當(dāng)光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)(E(r,t) 一般需要在105—108V/m之間),會(huì)發(fā)生非線性光學(xué)過(guò)程,(3)式中的χ(2)與二階非線性過(guò)程相關(guān),如SHG,和頻產(chǎn)生 (sum frequency generation,SFG) 等.χ(2)在具有中心對(duì)稱(chēng)性的材料中數(shù)值為零,常見(jiàn)的Si,氧化硅 (SiO2),Si3N4材料平臺(tái)都因材料本身的中心對(duì)稱(chēng)性而不具有二階非線性;χ(3)與材料的三階非線性光學(xué)過(guò)程相關(guān),如三次諧波產(chǎn)生 (third harmonic generation,THG),四波混頻 (four wave mixing,FWM),自發(fā)相位調(diào)制 (self phase modulation,SPM) 等.所有材料都具有三階非線性,與材料是否具有中心對(duì)稱(chēng)性無(wú)關(guān);χ(n)為高階電極化率,與高階非線性過(guò)程相關(guān).以石英為例,從理論上推算,石英的χ(3)比其χ(2)低11 個(gè)數(shù)量級(jí)[54],觸發(fā)同一種材料平臺(tái)中的高階非線性過(guò)程所需場(chǎng)強(qiáng)要比觸發(fā)低階非線性過(guò)程高得多.因此,二階和三階非線性過(guò)程是研究最為廣泛的非線性光學(xué)過(guò)程.常見(jiàn)非線性過(guò)程的能量轉(zhuǎn)變圖如圖2 所示.

圖2 非線性光學(xué)過(guò)程中典型的頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程能量示意圖,其中包括二階非線性過(guò)程中的SHG (a) 和SFG (b) 以及三階非線性過(guò)程中的THG (c) 和FWM (d)Fig.2.Typical energy diagrams of frequency conversion process in nonlinear optical processes,including SHG (a)and SFG (b) in second-order nonlinear process and THG (c)and FWM (d) in third-order nonlinear process.

3 基于轉(zhuǎn)移方法制備的集成二維材料非線性光子器件

3.1 二階非線性過(guò)程增強(qiáng)的二維材料集成平臺(tái)

二維材料中的二階非線性光學(xué)過(guò)程 (主要包括SHG 和SFG 過(guò)程) 在許多經(jīng)典和量子應(yīng)用中扮演著十分重要的角色[55].二維材料中二階非線性過(guò)程增強(qiáng)的思路可分為兩種: 一是使用各種光子結(jié)構(gòu) (諧振腔、表面等離激元、介質(zhì)超表面等) 增大局域光場(chǎng)的強(qiáng)度,將二維材料與上述光子結(jié)構(gòu)集成,提高光與二維材料相互作用的強(qiáng)度 (見(jiàn)3.1.1節(jié));二是將二維材料與微納光纖[56,57]或片上微納結(jié)構(gòu)集成,通過(guò)倏逝場(chǎng)與二維材料的相互作用增大光與二維材料的相互作用長(zhǎng)度(見(jiàn)3.1.2 節(jié)).

3.1.1 光與二維材料相互作用強(qiáng)度增強(qiáng)的集成平臺(tái)

3.1.1.1 二維材料中腔增強(qiáng)的SHG 過(guò)程

單層過(guò)渡金屬硫族化合物 (transition metal chalcogenides,TMDCs) 為直接帶隙半導(dǎo)體,帶隙覆蓋可見(jiàn)光到近紅外光譜范圍,具有很高的非線性,是集成非線性光子器件研究中較為理想的一種二維材料[58?63].將二維材料與各種光學(xué)微腔集成,借助腔內(nèi)光場(chǎng)的諧振增強(qiáng)效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)SHG 的顯著增強(qiáng).2016 年,Yi 等[64]基于微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種可調(diào)諧的片上法布里-珀羅(F-P)諧振腔,通過(guò)改變電壓就可以調(diào)節(jié)F-P 腔的長(zhǎng)度,進(jìn)而改變諧振條件.將單層硫化鉬 (MoS2) 置于其中(圖3(a)),實(shí)現(xiàn)了SHG 信號(hào)3300 倍的增強(qiáng);2016 年,Day 等[65]將單層MoS2轉(zhuǎn)移至由分布式布拉格反射鏡 (distributed Bragg reflector,DBR) 構(gòu)成的F-P 腔中間(圖3(b)),通過(guò)增強(qiáng)腔內(nèi)泵浦光束與二維材料的相互作用強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)SHG 的增強(qiáng).

然而,上述兩個(gè)工作中的F-P 腔都是微米量級(jí),很難做到片上集成,且腔的品質(zhì)因子(quality factor,Q值)不夠高,SHG 的觸發(fā)需要較高的功率條件.因此,2017 年,Fryett 等[66]將機(jī)械剝離的單層硒化鎢 (WSe2) 與Si 光子晶體諧振腔集成(圖3(c)),通過(guò)在光子晶體腔模式附近泵浦,借助泵浦光子與腔模式之間的耦合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了SHG 約200 倍的增強(qiáng);然而,上述基于腔增強(qiáng)的SHG 過(guò)程使用的泵浦源都是脈沖激光器,需要較高的峰值功率.借助GaSe 材料超高的二階非線性[67]以及光子晶體腔中的局域模式諧振,2018 年,Gan 等[68]將二維硒化鎵 (GaSe) 與Si 光子晶體集成(圖3(d)),實(shí)現(xiàn)了在二維GaSe 中低功率連續(xù)波激光器泵浦條件下的高效SHG 過(guò)程.

2020 年,Han 等[69]提出了一種納米顆粒置于鏡面上的系統(tǒng)(圖3(e)),當(dāng)此納米腔的表面等離激元共振波長(zhǎng)與單層硫化鎢 (WS2) 的二次諧波波長(zhǎng)發(fā)生共振時(shí),就可以實(shí)現(xiàn)SHG 的顯著增強(qiáng);2022 年,Shi 等[70]將單層WS2置于Si 的孔洞陣列上方,借助F-P 腔內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)以及懸空二維材料中激子震蕩強(qiáng)度的增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了SHG 約600 倍的增強(qiáng);該課題組還設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的二次諧波信號(hào)放大器,將MoS2/WS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)懸空置于具有孔洞結(jié)構(gòu)的SiO2/Si 襯底上,在355—470 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效的SHG 過(guò)程[71].

3.1.1.2 二維材料中等離激元增強(qiáng)的SHG 過(guò)程

除了利用各種光學(xué)腔增強(qiáng)光與二維材料的相互作用強(qiáng)度外,也可以利用表面等離激元或介質(zhì)超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光場(chǎng)的局域及增強(qiáng),從而實(shí)現(xiàn)SHG 的增強(qiáng).

圖4 所示為二維材料-金屬表面等離激元集成結(jié)構(gòu)中SHG 增強(qiáng)的研究進(jìn)展.2018 年,Wang 等[72]將單層WSe2轉(zhuǎn)移到帶有納米溝槽的金 (Au) 薄膜上(圖4(a)),借助溝槽對(duì)外部激勵(lì)場(chǎng)的局域增強(qiáng)作用,實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光波段SHG 信號(hào)約7000 倍的增強(qiáng);類(lèi)似地,2018 年,Shi 等[73]將單層WS2與亞波長(zhǎng)銀(Ag) 納米槽光柵集成,通過(guò)調(diào)諧表面等離激元模式與WS2的二次諧波頻率共振,實(shí)現(xiàn)了單層WS2中SHG 約400 倍的增強(qiáng);2018 年,Chen 等[74]將生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上單層WS2轉(zhuǎn)移至預(yù)先制備的Au 超表面上(圖4(c)),實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光波段的有效非線性頻率轉(zhuǎn)換;不同于以前報(bào)道的金屬光柵結(jié)構(gòu),2021 年Leng 等[75]提出了一種單層MoS2置于懸空的穿孔Ag 薄膜上的集成結(jié)構(gòu).為了避免二維材料轉(zhuǎn)移到金屬薄膜上后材料損壞或者污染,他們還在穿孔的Ag 薄膜和二維材料交界面處設(shè)計(jì)了Si3N4的薄膜結(jié)構(gòu)(圖4(d)).當(dāng)泵浦激光的中心波長(zhǎng)與集成體系的表面等離激元模式共振時(shí),室溫條件下該混合結(jié)構(gòu)的SHG 強(qiáng)度有超過(guò)3 個(gè)數(shù)量級(jí)的增大.

圖4 二維材料中等離激元增強(qiáng)的SHG 過(guò)程研究進(jìn)展 (a) 柔性襯底上單層WS2 中等離激元增強(qiáng)的SHG[72];(b) 單層WS2 中等離激元增強(qiáng)的光學(xué)非線性[73];(c) WS2–Au 納米孔洞集成超表面在可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)非線性超透鏡[74];(d) 單層MoS2 置于懸空的金屬納米結(jié)構(gòu)上通過(guò)等離激元諧振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)SHG 的增強(qiáng)[75]Fig.4.Research progress on plasmonic-enhanced SHG process in 2D materials: (a) Plasmon-enhanced SHG from monolayer WS2 on flexible substrates[72];(b) plasmonic enhancement of optical nonlinearity in monolayer WS2[73];(c) WS2–Au nanohole hybrid metasurface for nonlinear metalenses in the visible region[74];(d) enhanced SHG in monolayer MoS2 on suspended metallic nanostructures by plasmonic resonances[75].

3.1.1.3 二維材料中介質(zhì)超表面增強(qiáng)的SHG 過(guò)程

除了金屬表面等離激元結(jié)構(gòu),使用介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)二維材料中的SHG 過(guò)程也有著廣泛的研究.與金屬表面等離激元相比,介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)沒(méi)有歐姆損耗,有更高的激光損傷閾值,預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的SHG 過(guò)程以及對(duì)非線性過(guò)程的靈活控制[76].2018 年,Gan 等[68]就在二維的GaSe-Si 光子晶體腔集成系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了低功率連續(xù)波激光器泵浦條件下的高效SHG 過(guò)程.2019 年,該課題組將二維的GaSe 納米片與Si 超表面集成(圖5(a)),實(shí)現(xiàn)了高效的頻率上轉(zhuǎn)換過(guò)程 (SHG 和SFG)[77];2020 年,Bernhardt 等[78]設(shè)計(jì)了一種諧振的面內(nèi)不對(duì)稱(chēng)介電超表面,該超表面支持一種高Q值的光學(xué)諧振,即連續(xù)束縛態(tài) (bound states in the continuum,BIC).將單層WS2與此超表面集成(圖5(b)),研究人員實(shí)現(xiàn)了單層WS2中SHG 超3個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng);2020 年,Zhang 等[79]設(shè)計(jì)了一種基于Si3N4結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu),將單層MoS2與該亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)集成(圖5(c)),通過(guò)調(diào)諧激光器的泵浦波長(zhǎng)與該集成結(jié)構(gòu)諧振,實(shí)現(xiàn)了單層MoS2中SHG 約170 倍的增強(qiáng);為了推進(jìn)二維材料-介電超表面的規(guī)模化制備,2021 年,L?chner 等[80]將通過(guò)化學(xué)氣相沉積 (chemical vapor deposition,CVD)生長(zhǎng)的單層MoS2與經(jīng)過(guò)諧振設(shè)計(jì)優(yōu)化的Si 超表面集成(圖5(d)),在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了SHG 近40 倍的增強(qiáng).

圖5 二維材料中介質(zhì)超表面增強(qiáng)的SHG 過(guò)程研究進(jìn)展 (a) Si 超表面與二維GaSe 集成實(shí)現(xiàn)SHG 和SFG[77];(b) WS2 單層中準(zhǔn)BIC 諧振增強(qiáng)的SHG[78];(c) 借助Si3N4 亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單層MoS2 中SHG 的增強(qiáng)[79];(d) 混合介電超表面上MoS2 單層中SHG 的增強(qiáng)[80]Fig.5.Research progress on SHG process enhanced by dielectric metasurface in 2D materials: (a) SHG and SFG from a Si metasurface integrated with 2D GaSe[77];(b) quasi-BIC resonant enhancement of SHG in WS2 Monolayers[78];(c) enhancement of SHG in monolayer MoS2 by a Si3N4 subwavelength grating[79];(d) hybrid dielectric metasurfaces for enhancing SHG in MoS2 monolayers[80].

3.1.2 光與二維材料相互作用長(zhǎng)度增加的集成平臺(tái)

3.1.1 節(jié)中梳理的相關(guān)研究是利用諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵浦光場(chǎng)的局域增強(qiáng),進(jìn)而增強(qiáng)光與二維材料相互作用的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)集成平臺(tái)中二階非線性過(guò)程的增強(qiáng).此外,將二維材料與光纖或片上微納結(jié)構(gòu)集成,借助倏逝場(chǎng)與二維材料的相互作用,可以延長(zhǎng)光與二維材料的相互作用長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)二階非線性過(guò)程的增強(qiáng).

3.1.2.1 二維材料-光纖集成平臺(tái)中的SHG 增強(qiáng)

2019 年,Chen 等[81]利用轉(zhuǎn)移的方法將單層WS2與微光纖 (microfiber) 集成(圖6(a)),借助微光纖中倏逝場(chǎng)與二維WS2的相互作用,實(shí)現(xiàn)了WS2-微光纖集成結(jié)構(gòu)中SHG 20 倍的增強(qiáng).

圖6 (a) 基于轉(zhuǎn)移方法制備的單層WS2-光纖納米線混合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)SHG 的增強(qiáng)[81].(b)—(e) 基于溶液法制備的二維材料-光纖集成結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二階非線性過(guò)程增強(qiáng)的研究進(jìn)展 (b) 少層GaSe 輔助光學(xué)微光纖實(shí)現(xiàn)高效的二階非線性過(guò)程[82];(c) 連續(xù)波泵浦的InSe 集成的微光纖中頻率上轉(zhuǎn)換[84];(d) 填充有GaSe 納米片的HCF 結(jié)構(gòu)示意圖[85];(e) GaSe 納米片集成的SCF 實(shí)現(xiàn)SHG 過(guò)程[86]Fig.6.(a) Enhanced SHG in hybrid WS2-optical-fiber-nanowire structureprepared by transfer method[81].(b)–(e) Research progress on enhancement of second-order nonlinear process of 2D material-optical fiber integrated structures prepared by solution methods:(b) High-efficiency second-order nonlinear processes in an optical microfibre assisted by few-layer GaSe[82];(c) continuous-wave pumped frequency upconversions in an InSe-integrated microfiber[84];(d) schematic of a HCF filled with GaSe nanosheets[85];(e) SCF with embedded GaSe nanosheets for SHG[86].

除了單層TMDCs 具有優(yōu)異的二階非線性光學(xué)特性外,層狀的GaSe 材料在二階非線性領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用.2020 年,Jiang 等[82]利用滴覆技術(shù)將少層GaSe 納米片與微光纖集成(圖6(b)),借助GaSe 材料超高的二階非線性實(shí)現(xiàn)了集成結(jié)構(gòu)中SHG 的顯著增強(qiáng);類(lèi)似地,2021 年該課題組利用熱光沉積[83]的方法將具有高二階非線性系數(shù)的硒化銦 (InSe) 與微光纖集成(圖6(c)),在連續(xù)波激光器泵浦條件下實(shí)現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)中的高效二階非線性過(guò)程[84].

上述3 個(gè)工作中利用的都是微光纖,但是由于微光纖的結(jié)構(gòu)特性,集成后二維材料都是直接暴露在空氣中,很容易受到周?chē)h(huán)境因素如振動(dòng)、灰塵以及氧氣等影響.因此需要尋找更加穩(wěn)定的集成光纖平臺(tái).2022 年該課題組將少層GaSe 與空芯光纖(hollow-core fiber,HCF)(圖6(d))[85]以及懸芯光纖 (suspended core fiber,SCF)(圖6(e))[86]集成,同樣實(shí)現(xiàn)了二維材料-光纖集成結(jié)構(gòu)中高效的二階非線性過(guò)程.

3.1.2.2 二維材料-光纖集成平臺(tái)中的SHG 增強(qiáng)

將二維材料與片上波導(dǎo)或微環(huán)諧振腔集成,同樣可以增大光與二維材料的相互作用長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)二階非線性過(guò)程的增強(qiáng).2017 年,Chen 等[87]將單層硒化鉬(MoSe2) 與Si 波導(dǎo)集成(圖7(a)),借助Si平板波導(dǎo)中的倏逝場(chǎng)與二維材料的相互作用,實(shí)現(xiàn)了單層MoSe2中SHG 的5 倍增強(qiáng);介電氧化鈦 (TiO2) 納米線在可見(jiàn)光波段有較高的折射率和較低的損耗,是片上集成平臺(tái)中一種較為理想的研究平臺(tái).2019 年,Li 等[88]將單層MoS2與單根TiO2納米線集成(圖7(b)),實(shí)現(xiàn)了MoS2/納米線集成結(jié)構(gòu)中SHG 強(qiáng)度2 個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng);2022年,Wang 等[89]將少層GaSe 納米片與Si3N4微環(huán)諧振腔集成(圖7(c)),借助GaSe 材料的超高二階非線性特性以及微環(huán)腔中的諧振增強(qiáng)效應(yīng),在連續(xù)波激光器泵浦的條件下實(shí)現(xiàn)了高效的倍頻及和頻轉(zhuǎn)換過(guò)程;2023 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)與香港理工大學(xué)合作,將具有優(yōu)異二階非線性特性的層狀SnP2Se6與Si3N4微環(huán)諧振腔集成(圖7(d)),實(shí)現(xiàn)了SHG 的增強(qiáng)以及SHG 輔助的通信波段高性能光電探測(cè)器[90].

圖7 基于轉(zhuǎn)移方法制備的二維材料-片上集成平臺(tái)中二階非線性增強(qiáng)的研究進(jìn)展 (a) Si 波導(dǎo)上二維MoSe2 中SHG 的增強(qiáng)[87];(b) 單層MoS2 與Ti02 納米線集成實(shí)現(xiàn)SHG 的增強(qiáng)[88];(c) 少層GaSe 與Si3N4 微環(huán)集成實(shí)現(xiàn)高效的SHG 和SFG 過(guò)程[89];(d) SHG輔助的SnP2Se6 光電探測(cè)器[90]Fig.7.Research progress on enhanced second-order nonlinear process enabled by integrated 2D material-on-chip integrated platforms prepared by transfer methods: (a) Enhanced SHG from two-dimensional MoSe2 on a Si waveguide[87];(b) enhancement of SHG in a TiO2 nanowire integrated with monolayer MoS2[88];(c) high-efficiency SHG and SFG in a Si3N4 microring integrated with few-layer GaSe[89];(d) a schematic of the SHG-assisted SnP2Se6 photodetector[90].

3.2 三階非線性過(guò)程增強(qiáng)的二維材料集成平臺(tái)

材料非線性折射率n2是反映材料三階非線性的關(guān)鍵參數(shù)之一,即在強(qiáng)光條件下,反映光強(qiáng)導(dǎo)致的折射率的改變,也稱(chēng)為光學(xué)克爾效應(yīng).非線性折射率n2與三階電極化率χ(3)直接相關(guān):

其中,c為光速,n0為線性折射率,ε0為真空介電常數(shù).

閉孔 (closed-aperture,CA) Z 掃描 (Z-scan) 是一種用來(lái)測(cè)量二維材料非線性折射率的典型方法[91]:將二維材料置于泵浦脈沖激光器以及光闌-光功率計(jì)中間,移動(dòng)二維材料的位置 (沿Z軸) 得到透射光功率與二維材料所處z位置的關(guān)系.然后對(duì)得到的曲線進(jìn)行擬合就可以得到相應(yīng)二維材料的非線性折射率.表1 為近年來(lái)基于Z掃描方法得到的常見(jiàn)二維材料 (石墨烯、氧化石墨烯、TMDCs、黑磷等) 的非線性折射率.可以看出即使是同一種二維材料,在不同的厚度及不同的泵浦波長(zhǎng)條件下根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合出的非線性折射率都有一定的不同.Si,SiO2以及Si3N4材料在通信波段的非線性折射率在10–18—10–19量級(jí),表1 中列出的不同二維材料的非線性折射率要比上述三種平臺(tái)高出2—8 個(gè)數(shù)量級(jí).因此,將層狀的二維材料與成熟的光子平臺(tái)集成,在不破壞集成平臺(tái)光學(xué)模式分布以及光學(xué)傳輸特性的基礎(chǔ)上,還可以賦予平臺(tái)更優(yōu)異的三階非線性光學(xué)特性.

表1 基于Z 掃描法測(cè)量出的不同二維材料的非線性折射率 n2Table 1.Nonlinear refractive index n2 of different 2D materials measured by Z-scan method.

3.2.1 二維材料-光纖集成平臺(tái)中的三階非線性增強(qiáng)

樂(lè)山市全域可根據(jù)地貌成因形態(tài)分為三大類(lèi)八亞類(lèi)，即侵蝕構(gòu)造地形(高山、中山、低山)、構(gòu)造剝蝕地形(包括深切割丘陵、中切割丘陵、淺切割丘陵)、侵蝕堆積地形(包括沖積扇平原、河流及階地等)。各類(lèi)地貌亞類(lèi)及單元(34個(gè))分布面積見(jiàn)表2。

借助石墨烯在寬光譜范圍內(nèi)的超高三階非線性,2015 年Wu 等[100]在石墨烯包覆的微光纖(graphene-coated microfiber,GCM) 結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)的FWM 過(guò)程.圖8(a)為GCM 的結(jié)構(gòu)示意圖,其中微光纖的制備是將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(single-mode fiber,SMF) 浸泡在氫氟酸中經(jīng)過(guò)化學(xué)刻蝕制成;然后通過(guò)濕法轉(zhuǎn)移的手段實(shí)現(xiàn)CVD 生長(zhǎng)的石墨烯對(duì)微光纖的包覆作用.當(dāng)微光纖上沒(méi)有石墨烯材料時(shí),在較高的泵浦功率條件下并未在微光纖中觀察到四波混頻現(xiàn)象.但是在相同的泵浦功率條件下,GCM 中就可以在1546—1558 nm波段內(nèi)觀察到的級(jí)聯(lián)四波混頻現(xiàn)象.

圖8 基于轉(zhuǎn)移方法制備的三階非線性增強(qiáng)的二維材料-光纖集成平臺(tái) (a) GCM 中實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)四波混頻過(guò)程[100];(b) MoS2 覆蓋的單模光纖示意圖[101]Fig.8.2D material-optical fiber integrated platforms with enhanced third-order nonlinear process based on transfer methods:(a) Generation of cascaded FWM with GCM[100];(b) schematic of a MoS2-coated SMF[101].

2018 年,Zhang 等[101]提出了圖8(b)所示的一種基于少層MoS2覆蓋邊側(cè)拋光光纖的三階非線性增強(qiáng)的集成平臺(tái),其中使用了高折射率的聚合物 (polymer) 用于覆蓋二維材料.聚合物除了能起到提高器件穩(wěn)定性和耐用性的作用外,還可以提高二維材料的光學(xué)限制因子.最終借助集成器件中三階非線性的增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射光譜的展寬.

3.2.2 二維材料-片上集成平臺(tái)中的三階非線性增強(qiáng)

由于Si 材料具有較大的克爾非線性系數(shù)[102],所以在Si 基集成平臺(tái)中不引入新的高三階非線性材料在一定入射光強(qiáng)條件下也可以觀察到THG等三階非線性光學(xué)效應(yīng)[103].此外,通過(guò)制備特殊的硅基光子結(jié)構(gòu),如光子晶體波導(dǎo)[104,105],懸空薄膜波導(dǎo)[25],懸空的Si 微環(huán)諧振腔[106]等,也可以實(shí)現(xiàn)三階非線性的增強(qiáng).

石墨烯的克爾系數(shù)要比Si 大5—6 個(gè)數(shù)量級(jí)[107],將單層石墨烯與Si 波導(dǎo)[108?110]或微環(huán)諧振腔[111]集成,可以實(shí)現(xiàn)SPM 或者FWM 等三階非線性效應(yīng)的增強(qiáng).早在2015 年,筆者所在團(tuán)隊(duì)就基于轉(zhuǎn)移方法實(shí)現(xiàn)了石墨烯/Si 波導(dǎo)集成結(jié)構(gòu)中三階非線性過(guò)程的增強(qiáng)[108].圖9(a)為飛秒激光脈沖在石墨烯/Si 集成波導(dǎo)中傳播的示意圖.當(dāng)Si 脊形波導(dǎo)上無(wú)石墨烯覆蓋時(shí)(圖9(b-i)),盡管Si 具有較高的克爾非線性,但在較高泵浦功率條件下并未觀察到明顯的光譜展寬效果(圖9(b-ii));將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到Si 波導(dǎo)上之后(圖9(c-i)),可以從圖9(c-ii) 看出,在相同泵浦條件下,由于集成波導(dǎo)三階非線性的增強(qiáng),泵浦脈沖出現(xiàn)明顯展寬;但是由于單層石墨烯的厚度只有0.34 nm,將石墨烯轉(zhuǎn)移到Si 波導(dǎo)的上表面后,光與二維材料只能通過(guò)較弱的倏逝場(chǎng)耦合,相互作用受限[112],石墨烯超高的克爾非線性未得到充分利用;因此筆者團(tuán)隊(duì)提出將石墨烯轉(zhuǎn)移到Si 波導(dǎo)上后,再沉積Si02和Si3N4來(lái)提高石墨烯層中的電場(chǎng)強(qiáng)度.從圖9(d-ii)中可以看出對(duì)于相同功率的類(lèi)TM 模,沉積有Si02和Si3N4的石墨烯/Si 混合波導(dǎo)中光譜展寬效果進(jìn)一步提升.

圖9 石墨烯/Si 非線性脊形波導(dǎo)中的超快脈沖傳播[108] (a) 超快脈沖在石墨烯/Si 混合脊形波導(dǎo)中傳播的示意圖;Si 脊形波導(dǎo)(b-i),石墨烯/Si 脊形波導(dǎo) (c-i) 以及石墨烯/Si 類(lèi)狹縫波導(dǎo) (d-i) 的示意圖;飛秒脈沖沿著Si 脊形波導(dǎo) (b-ii),石墨烯/Si 脊形波導(dǎo)(c-ii) 以及石墨烯/Si 類(lèi)狹縫波導(dǎo) (d-ii) 傳播后的實(shí)驗(yàn)測(cè)得的以及數(shù)值計(jì)算的輸出光譜Fig.9.Ultra-fast pulse propagation in nonlinear graphene/Si ridge waveguide[108]: (a) Schematic of ultra-fast pulse propagation along the hybrid graphene/silicon ridge waveguide;schematic of a Si ridge waveguide (b-i),a graphene/Si ridge waveguide (c-i) and a graphene/Si slot-like ridge waveguide (d-i);experimentally measured and numerically calculated output spectra of the femtosecond pulses propagating along the Si ridge waveguide (b-ii),the graphene/Si ridge waveguide (c-ii),and the graphene/Si slot-like ridge waveguide (d-ii).

此外,Ji 等[111]在2015 年將單層石墨烯與半徑為10 μm 的Si 微環(huán)諧振腔集成(圖10(a)),實(shí)現(xiàn)了FWM 轉(zhuǎn)換效率最大6.8 dB 的增強(qiáng);2019 年Feng等[110]將單層石墨烯與Si 波導(dǎo)集成(圖10(b)),實(shí)現(xiàn)了石墨烯/Si 集成波導(dǎo)中SPM 效應(yīng)的增強(qiáng).

圖10 基于轉(zhuǎn)移方法實(shí)現(xiàn)片上集成二維材料三階非線性增強(qiáng)的研究進(jìn)展 (a) Si-石墨烯微環(huán)諧振腔集成實(shí)現(xiàn)FWM 的增強(qiáng)[111];(b) Si/石墨烯混合波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)SPM 的增強(qiáng)[110];(c) GO/Hydex 混合波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)FWM 的增強(qiáng)[122];(d) 二維GO 薄膜與Si 納米線集成實(shí)現(xiàn)SPM 的增強(qiáng)[124];(e) MoS2 置于Si 上波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光學(xué)克爾非線性的增強(qiáng)[130];(f) 少層WS2 與Si3N4 波導(dǎo)異質(zhì)集成實(shí)現(xiàn)非線性的增強(qiáng)[132]Fig.10.Research progress on third-order nonlinear enhancement of on-chip integrated 2D materials based on transfer methods:(a) Enhanced FWM in a Si-graphene microring resonator[111];(b) enhanced SPM of graphene/Si hybrid waveguide[110];(c) enhanced FWM in GO/hydex hybrid waveguide[122];(d) enhanced SPM in Si nanowires integrated with 2D GO Films[124];(e) enhanced optical Kerr nonlinearity of MoS2 on Si waveguides[130];(f) enhancing Si3N4 waveguide nonlinearity with heterogeneous integration of fewlayer WS2[132].

與石墨烯相比,氧化石墨烯 (graphene oxide,GO)[113?115]具有良好的線性和非線性光學(xué)特性,且兼具低的吸收損耗、大的可調(diào)帶隙[116]、可大規(guī)模片上集成[117]等優(yōu)勢(shì),在集成非線性光子學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[118?121].近年來(lái),Moss 等[122?129]研發(fā)了一種在集成光子芯片上不需要轉(zhuǎn)移的GO 薄膜逐層覆蓋技術(shù),將GO 薄膜與高折射率摻雜氧化硅 (hydex)[122,123](圖10(c))、Si[124,125](圖10(d))以及Si3N4[126?129]微納結(jié)構(gòu)集成,顯著提高了集成光子芯片的三階非線性光學(xué)特性.

此外,借助TMDCs[130?133](圖10(e),(f))、硫化鎵(GaS)[134]、有機(jī)物[135]等材料與片上微納結(jié)構(gòu)的集成,也可以顯著提高集成光子芯片的三階非線性特性.

4 基于直接生長(zhǎng)方法制備的集成二維材料非線性光子器件

4.1 二階非線性過(guò)程增強(qiáng)的二維材料集成平臺(tái)

4.1.1 二維材料-光纖集成平臺(tái)中的二階非線性增強(qiáng)

圖6 和圖8 所示為在基于轉(zhuǎn)移方法制備的二維材料-光纖集成平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)非線性增強(qiáng)的研究進(jìn)展.但是,在將二維材料轉(zhuǎn)移至光纖的過(guò)程中,無(wú)法規(guī)避二維材料受損、器件制備的可重復(fù)性以及可控性差等問(wèn)題;基于溶液法實(shí)現(xiàn)的二維材料與光纖集成過(guò)程中也會(huì)不可避免地引入雜質(zhì),增加光傳輸過(guò)程中的散射和吸收損耗;此外,這種轉(zhuǎn)移的方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)二維材料對(duì)光纖內(nèi)/外壁的連續(xù)均勻包覆;且轉(zhuǎn)移的方法只適用于實(shí)驗(yàn)室的研究,無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備.

針對(duì)傳統(tǒng)基于轉(zhuǎn)移方法將二維材料與光纖集成存在的上述弊端,研究人員開(kāi)始提出使用直接生長(zhǎng)的方法實(shí)現(xiàn)二維材料與光纖的集成.Chen 等[136]在2019 年提出在光子晶體光纖 (photonic crystal fibre,PCF) 中直接生長(zhǎng)石墨烯.在約1100 ℃的生長(zhǎng)條件下,該課題組實(shí)現(xiàn)了在PCF 內(nèi)/外壁中約50 cm長(zhǎng)單層石墨烯的連續(xù)均勻生長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)了光與物質(zhì)相互作用的顯著增強(qiáng);對(duì)于TMDCs,2020年該課題組提出了一種如圖11(a) 所示的兩步化學(xué)氣相沉積法[137]: 首先借助HCF 毛細(xì)吸附作用在光纖內(nèi)壁充滿(mǎn)含有過(guò)渡金屬元素的鹽溶液作為后續(xù)生長(zhǎng)的先驅(qū)物;然后在高溫條件下在光纖內(nèi)壁生長(zhǎng)TMDCs.基于上述方法,研究人員在HCF中生長(zhǎng)了長(zhǎng)度約為25 cm 的均勻連續(xù)單層MoS2,MoS2/HCF 集成光纖也表現(xiàn)出二階非線性的顯著增強(qiáng).

圖11 基于直接生長(zhǎng)法制備的二階非線性增強(qiáng)的二維材料-光纖集成平臺(tái) (a) 兩步生長(zhǎng)方法示意圖[137];(b) 光纖中嵌入二維材料實(shí)現(xiàn)SHG[138]Fig.11.2D material-optical fiber integrated platforms with enhanced second-order nonlinear process based on direct growth methods:(a) Schematic of the two-step growth method[137];(b) in-fiber SHG with embedded 2D materials[138].

然而,上述工作中使用的HCF 光模場(chǎng)面積較大,泵浦光場(chǎng)與二維材料之間的模式重疊受限.2022 年,Ngo 等[138]提出使用如圖11(b)所示的裸芯光纖 (exposed-core fibre,ECF) 作為集成平臺(tái),利用一種修正的化學(xué)氣相沉積法[139](將硫源置于分區(qū)管式爐的低溫區(qū) (200 ℃),將金屬氧化物(氧化鉬,MoO3) 置于分區(qū)管式爐的高溫區(qū) (770 ℃),在氬氣環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)在裸露的光纖纖芯上直接生長(zhǎng)單層MoS2),實(shí)現(xiàn)了二維材料-光纖集成結(jié)構(gòu)中的高效SHG 過(guò)程.

4.1.2 二維材料-片上集成平臺(tái)中的二階非線性增強(qiáng)

圖7、圖9 和圖10 總結(jié)了在基于轉(zhuǎn)移方法制備的二維材料-片上集成平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)非線性增強(qiáng)的研究進(jìn)展.基于轉(zhuǎn)移方法實(shí)現(xiàn)二維材料與片上微納結(jié)構(gòu)的集成,主要存在以下問(wèn)題: a)轉(zhuǎn)移過(guò)程中會(huì)不可避免地造成二維材料的損傷,如引入皺褶、應(yīng)力、摻雜或造成二維材料斷裂,導(dǎo)致集成器件的性能下降,工作壽命縮短[140,141];b)轉(zhuǎn)移過(guò)程中需要借助一定的介質(zhì),如干法轉(zhuǎn)移通常需要借助PDMS等熱釋放材料,濕法需要借助溶劑,轉(zhuǎn)移完成后通常會(huì)在二維材料與納米結(jié)構(gòu)的交界面處引入雜質(zhì),光傳播過(guò)程中的吸收損耗、散射損耗迅速增大[142];c)轉(zhuǎn)移的二維材料一般只能在貼在納米結(jié)構(gòu)上表面,無(wú)法在側(cè)壁等位置緊密接觸,集成器件中光與二維材料的相互作用受限[143];d)轉(zhuǎn)移過(guò)程中,通常需要在顯微鏡下尋找二維材料與納米結(jié)構(gòu)的精確集成位置;器件制備過(guò)程中一般也需要進(jìn)行多次光刻,器件制備的簡(jiǎn)易度、可重復(fù)性及可控性較差[144];e)轉(zhuǎn)移過(guò)程通常使用的是二維材料的碎片[145],很難實(shí)現(xiàn)大面積二維材料的一次性轉(zhuǎn)移[146],這就將轉(zhuǎn)移的方法局限在了實(shí)驗(yàn)室的研究層面,限制了集成二維材料光子器件的規(guī)?；苽?

基于以上思考,2021 年筆者所在團(tuán)隊(duì)[147]提出在Si3N4波導(dǎo)上直接生長(zhǎng)單層WS2.利用物理氣相沉積 (physical vapor deposition,PVD) 的方法實(shí)現(xiàn)了在Si3N4波導(dǎo)上長(zhǎng)度約為400 μm 單層WS2的連續(xù)生長(zhǎng)(圖12(a)),實(shí)現(xiàn)了WS2/Si3N4混合波導(dǎo)中SHG 的顯著增強(qiáng).2022 年,Kuppadakkath 等[148]提出在Si 波導(dǎo)上直接生長(zhǎng)單層MoS2(圖12(b)),并在MoS2/Si 混合波導(dǎo)中探測(cè)到了二次諧波信號(hào).盡管該工作克服了傳統(tǒng)基于轉(zhuǎn)移方法制備二維材料集成器件的各種弊端,但是并未實(shí)現(xiàn)二維材料對(duì)波導(dǎo)的連續(xù)覆蓋;且由于波導(dǎo)制備工藝的問(wèn)題,Si波導(dǎo)表面的粗糙程度超過(guò)了TMDCs 單層的厚度,高的波導(dǎo)粗糙度會(huì)明顯增加光的散射損耗;同時(shí)Si 材料在405 nm 附近有強(qiáng)烈的吸收效應(yīng),嚴(yán)重限制了器件的實(shí)際應(yīng)用.

圖12 基于直接生長(zhǎng)法制備的二階非線性增強(qiáng)的二維材料-波導(dǎo)集成平臺(tái) (a) Si3N4 波導(dǎo)上直接生長(zhǎng)WS2 實(shí)現(xiàn)SHG 增強(qiáng)的示意圖[147];(b) Si 波導(dǎo)上直接生長(zhǎng)單層MoS2 的概念示意圖[148]Fig.12.Enhanced second-order nonlinear process in 2D material-waveguides integrated platforms based on direct growth methods:(a) Schematic diagram of SHG enhancement of the Si3N4 waveguides with directly grown WS2[147];(b) concept schematic of Si waveguides with directly grown monolayer MoS2[148].

4.2 三階非線性過(guò)程增強(qiáng)的二維材料集成平臺(tái)

4.2.1 二維材料-光纖集成平臺(tái)中的三階非線性增強(qiáng)

圖13 為近年來(lái)直接在微結(jié)構(gòu)光纖中生長(zhǎng)單層二維材料實(shí)現(xiàn)集成平臺(tái)中三階非線性增強(qiáng)的研究進(jìn)展.2020 年,Zuo 等[137]提出一種兩步生長(zhǎng)法(圖11(a)) 在HCF 中生長(zhǎng)連續(xù)單層MoS2,在1800 nm激光泵浦條件下實(shí)現(xiàn)了SHG 的顯著增強(qiáng).此外,在2100 nm 激光泵浦的條件下,該MoS2-HCF 集成結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出顯著的THG 增強(qiáng)現(xiàn)象(圖13(a)).

圖13 基于直接生長(zhǎng)法制備的三階非線性的增強(qiáng)二維材料-光纖集成平臺(tái) (a) 嵌入MoS2 的HCF 中SHG 和THG 的示意圖[137];(b) 使用原子層厚度的半導(dǎo)體對(duì)光纖進(jìn)行規(guī)?；墓δ芑痆149];(c) 石墨烯-PCF 中產(chǎn)生諧波的示意圖[150]Fig.13.2D material-fiber integrated platforms with enhanced third-order nonlinear process based on direct growth methods: (a) schematics of SHG and THG in MoS2-embedded HCF[137];(b) scalable functionalization of optical fibers using atomically thin semiconductors[149];(c) schematic of harmonic generations in graphene-PCF[150].

2020 年,Ngo 等[149]利用修正的化學(xué)氣相沉積法在裸芯光纖上生長(zhǎng)了高質(zhì)量單層MoS2(圖13(b)),并且進(jìn)行了PL 和三階非線性調(diào)控方面的研究;2022 年,Chen 等[150]在2019 年在PCF 中生長(zhǎng)亞米量級(jí)單層石墨烯的工作基礎(chǔ)[136]上,提出了一種壓力控制的CVD 生長(zhǎng)方法,對(duì)PCF 中生長(zhǎng)的石墨烯的長(zhǎng)度和厚度進(jìn)行控制.在權(quán)衡了石墨烯的非線性增強(qiáng)以及線性吸收損耗之后,研究人員最終在5 cm 長(zhǎng)的單層石墨烯-PCF 集成結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了THG 和五次諧波產(chǎn)生的增強(qiáng) (圖13(c)).

4.3 小結(jié)

本章梳理了近年來(lái)直接在光纖和片上集成平臺(tái)上生長(zhǎng)二維材料進(jìn)行非線性增強(qiáng)方面的研究.

1) 在微結(jié)構(gòu)光纖方面,國(guó)內(nèi)的北京大學(xué)劉開(kāi)輝課題組已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn): a) PCF 中亞米量級(jí)石墨烯的均勻連續(xù)生長(zhǎng)[136](2019 年);b) HCF 中25 cm長(zhǎng)單層MoS2的連續(xù)生長(zhǎng),并實(shí)現(xiàn)了二維材料中非線性超百倍的增強(qiáng)[137](2020 年);c) 在PCF 中通過(guò)壓力控制生長(zhǎng)石墨烯的厚度以及長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)了高階非線性的增強(qiáng)[150](2022 年).國(guó)外該領(lǐng)域具有代表性的工作來(lái)自德國(guó)耶拿大學(xué)Falk Eilenberger博士課題組: a) 在裸芯光纖上直接生長(zhǎng)單層MoS2,并進(jìn)行了三階非線性相關(guān)的研究[149](2020 年);b)在裸芯光纖上直接生長(zhǎng)單層MoS2,并在MoS2-ECF中集成器件中實(shí)現(xiàn)了SHG 顯著增強(qiáng)[138](2022 年).

2) 在片上波導(dǎo)方面,筆者課題組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在Si3N4波導(dǎo)上約400 μm 單層WS2的連續(xù)生長(zhǎng),并在WS2/Si3N4集成波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了SHG的顯著增強(qiáng)[147](2021 年);德國(guó)耶拿大學(xué)的Falk Eilenberger博士課題組實(shí)現(xiàn)了Si 波導(dǎo)上非連續(xù)單層MoS2的直接生長(zhǎng),并在集成波導(dǎo)中探測(cè)到了二次諧波信號(hào)[148](2022 年).

相較于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移集成方法,使用直接生長(zhǎng)法制備的集成二維材料非線性光子器件主要有以下優(yōu)勢(shì): a)二維材料直接生長(zhǎng)在光子平臺(tái)表面,不存在轉(zhuǎn)移過(guò)程中二維材料受損、褶皺以及材料斷裂等問(wèn)題;b)不需要借助熱釋放材料或者溶劑等中間材料,避免了集成器件中雜質(zhì)的引入;c)二維材料可以在光纖或者波導(dǎo)表面保形生長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖內(nèi)/外壁以及波導(dǎo)側(cè)壁的均勻連續(xù)覆蓋,增強(qiáng)光與二維材料的相互作用;d)大大簡(jiǎn)化器件制備工藝,實(shí)驗(yàn)的可控性以及可重復(fù)性較好;e)可以實(shí)現(xiàn)集成二維材料非線性光子器件的大規(guī)模制備.

直接生長(zhǎng)法具有傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法不具備的巨大優(yōu)勢(shì),但是在實(shí)際的器件制備過(guò)程中,還有以下技術(shù)難點(diǎn): a)材料生長(zhǎng)條件的嚴(yán)格把控.在生長(zhǎng)過(guò)程中,二維材料的生長(zhǎng)溫度、管式爐中惰性氣體的流量、生長(zhǎng)源與基片之間的距離、生長(zhǎng)環(huán)境的純凈與否以及是否使用生長(zhǎng)前驅(qū)體都決定著最終生長(zhǎng)晶體的質(zhì)量;b)材料生長(zhǎng)之前要保證光纖或波導(dǎo)表面亞納米級(jí)別的粗糙度,這樣才能保證原子層厚度的二維材料可以在光子平臺(tái)上均勻連續(xù)生長(zhǎng);c)材料生長(zhǎng)之前要保證光纖或者波導(dǎo)平臺(tái)的潔凈.如果生長(zhǎng)前光子平臺(tái)上有雜質(zhì),這些雜質(zhì)就會(huì)成為二維材料生長(zhǎng)的形核點(diǎn),生長(zhǎng)出非層狀的枝晶納米線或大的顆粒狀晶體.當(dāng)光在二維材料集成平臺(tái)中傳輸時(shí)遇到這些非層狀晶體,光的傳播損耗將急劇增加,導(dǎo)致器件無(wú)法正常使用;d)二維材料在光子平臺(tái)上生長(zhǎng)位置的精確控制.

5 總結(jié)與展望

傳統(tǒng)基于Si,Si3N4以及Si02等材料的光子平臺(tái)加工工藝成熟,但是上述光學(xué)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的非線性功能受限;二維材料盡管具有優(yōu)異的非線性光學(xué)特性,但只有原子層厚度,其優(yōu)異的非線性光學(xué)特性無(wú)法充分發(fā)揮.將二維材料與成熟的光子平臺(tái)集成,在充分利用光子平臺(tái)成熟加工工藝的基礎(chǔ)上,可以顯著提高光與物質(zhì)的相互作用,充分發(fā)揮二維材料在非線性光學(xué)領(lǐng)域的潛能,提升集成平臺(tái)的非線性光學(xué)性能.

基于以上思路,本文從非線性光學(xué)的基本原理出發(fā) (第2 節(jié)),梳理了傳統(tǒng)基于轉(zhuǎn)移方法 (第3 節(jié))和近年來(lái)新興的基于直接生長(zhǎng)法 (第4 節(jié)) 實(shí)現(xiàn)的多種集成二維材料非線性光子平臺(tái)研究進(jìn)展.傳統(tǒng)基于轉(zhuǎn)移方法實(shí)現(xiàn)二維材料與光子平臺(tái)的集成技術(shù)發(fā)展較為成熟,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料與光子平臺(tái)集成位置的精確控制;但是在二維材料轉(zhuǎn)移過(guò)程中存在的雜質(zhì)引入、材料褶皺破損、工藝繁瑣、無(wú)法實(shí)現(xiàn)二維材料對(duì)光子結(jié)構(gòu)的保形覆蓋以及規(guī)?；苽涫芟薜入y以規(guī)避的問(wèn)題;相比之下,近年來(lái)新興的在各種光子平臺(tái)上直接生長(zhǎng)二維材料的方法克服了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方法存在的各種弊端,在二維材料生長(zhǎng)質(zhì)量、工藝簡(jiǎn)化、保形覆蓋以及規(guī)模化制備等方面表現(xiàn)出巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì).但是由于該研究方向發(fā)展時(shí)間較短,還有一系列技術(shù)難點(diǎn)需要解決,如精確控制二維材料的生長(zhǎng)條件,保證均勻連續(xù)層狀二維材料對(duì)各種光子結(jié)構(gòu)的保形覆蓋等 (詳見(jiàn)4.3 節(jié)).

二維材料與多種光子平臺(tái)集成實(shí)現(xiàn)SHG,THG,FWM 以及SPM 等非線性光學(xué)過(guò)程增強(qiáng)的研究已經(jīng)在二維晶體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性表征和晶向研究、寬帶光源、全光計(jì)算[151]、量子技術(shù)、片內(nèi)通信[152]等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景.圖1中用紅色虛線標(biāo)記出了接下來(lái)基于直接生長(zhǎng)法可以在集成二維材料非線性光學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行的研究: 如可以嘗試在各種腔表面直接生長(zhǎng)二維材料[153]進(jìn)行二階非線性增強(qiáng)[154]方面的研究;也可以嘗試在片上波導(dǎo)或微環(huán)上直接生長(zhǎng)二維材料進(jìn)行三階非線性增強(qiáng)方面的研究.總體而言,直接在各種光子結(jié)構(gòu)上直接生長(zhǎng)二維材料進(jìn)行集成非線性光學(xué)特性的研究已經(jīng)引起了該領(lǐng)域研究人員極大的研究興趣.隨著時(shí)間的推進(jìn),該領(lǐng)域?qū)?huì)繼續(xù)取得突破性進(jìn)展,微納光子結(jié)構(gòu)上高質(zhì)量二維材料連續(xù)生長(zhǎng)以及晶圓級(jí)規(guī)?；苽涞燃夹g(shù)問(wèn)題將會(huì)被攻破,進(jìn)一步提升芯片的集成度、調(diào)制速度以及工作帶寬等,為光通信、信號(hào)處理、光傳感及量子技術(shù)等領(lǐng)域打下良好基礎(chǔ).