光子晶體光纖（PCF）是近二十年來(lái)光纖領(lǐng)域發(fā)展的最重要成果之一，它是一種具有周期性孔道排布的人工微結(jié)構(gòu)材料。PCF與氣體、液體、固體和液晶等功能材料的集成，能夠極大地?cái)U(kuò)展其在光子、光電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。石墨烯的興起強(qiáng)烈地激發(fā)了其與PCF結(jié)合的研究興趣，使得電場(chǎng)可調(diào)諧、寬波帶響應(yīng)和全光集成等多功能光纖光子器件變?yōu)榭赡?，在光通信、光傳感和非線(xiàn)性光纖光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。前期，研究者們通過(guò)將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到側(cè)拋或微納光纖上，或?qū)⑹┪⑵畛溥M(jìn)PCF孔洞中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了石墨烯-光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備與強(qiáng)的光物質(zhì)相互作用。然而，這些研究工作大多局限于石墨烯和光纖的小面積集成，耦合效率較低，且與實(shí)際應(yīng)用所需要的規(guī)?；饫w材料制造要求相去甚遠(yuǎn)。因此，開(kāi)發(fā)能夠大規(guī)模生產(chǎn)的石墨烯光纖材料的新方法有著迫切的需求。

最近，北京大學(xué)、北京石墨烯研究院劉忠范院士、劉開(kāi)輝研究員團(tuán)隊(duì)，首次開(kāi)發(fā)了利用化學(xué)氣相沉積法制備長(zhǎng)度可達(dá)半米的石墨烯光子晶體光纖材料（Gr-PCF）。在PCF外表面和內(nèi)部孔壁上實(shí)現(xiàn)了不同厚度和均勻性的石墨烯薄膜的原位全覆蓋生長(zhǎng)。石墨烯光子晶體光纖具有強(qiáng)烈且可調(diào)的光與物質(zhì)相互作用，衰減系數(shù)高達(dá)8 dB cm^-1（懸浮單層石墨烯只有0.1 dB）?；贕r-PCF制備的電光調(diào)制器具有寬頻帶響應(yīng)特性（1150–1600 nm），在2V低電壓調(diào)控下即可實(shí)現(xiàn)~20 dB cm^-1@1550 nm的深度調(diào)制。相關(guān)成果以“Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light–matter interaction”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Photonics上（DOI: 10.1038/s41566-019-0492-5）。陳珂研究員、周旭博士與程旭博士生為論文共同第一作者，劉忠范院士、劉開(kāi)輝研究員為論文共同通訊作者。

?圖1?石墨烯光子晶體光纖的制備及表征

本論文報(bào)道了常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD）和低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD，壓力0.5-1.0 kPa）可控制備石墨烯光子晶體光纖的方法，獲得了半米長(zhǎng)的石墨烯光纖材料，為避免雜質(zhì)影響未引入金屬催化劑，克服了孔道內(nèi)部石墨烯均勻生長(zhǎng)的難題。在生長(zhǎng)溫度為1100 °C和不同壓力的條件下，在PCF內(nèi)部狹小的孔洞 (~4 μm)中實(shí)現(xiàn)了石墨烯層的均勻生長(zhǎng)（圖 1）。生長(zhǎng)后的PCF內(nèi)部的二氧化硅層依然可以保持其結(jié)構(gòu)的完整性，該結(jié)構(gòu)由纖芯和周?chē)陌鼘訁^(qū)域組成，包層區(qū)域具有橫向周期排列的氣孔，石墨烯生長(zhǎng)在PCF的外表面和內(nèi)部孔壁上。石墨烯在長(zhǎng)距離孔內(nèi)壁的均勻可控生長(zhǎng)得益于甲烷等反應(yīng)前驅(qū)體的流體力學(xué)行為調(diào)控。在氣體粘滯流條件（APCVD）下，氣體碳源受到傳質(zhì)過(guò)程的限制，石墨烯生長(zhǎng)厚度不均一。而在LPCVD生長(zhǎng)條件下，根據(jù)分子流模型可知?dú)怏w流動(dòng)接近自由分子流動(dòng)狀態(tài)，傳質(zhì)過(guò)程可忽略不計(jì)。這就可以很容易地生長(zhǎng)出厚度均勻、長(zhǎng)度可達(dá)半米的Gr-PCF材料。這樣的Gr-PCF復(fù)合結(jié)構(gòu)具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）石墨烯的柔性使其可以緊密貼合在PCF的表面或孔壁；（2）僅有原子厚度的石墨烯保持了PCF結(jié)構(gòu)和主要功能的完整性和不變性；（3）石墨烯賦予了傳統(tǒng)光纖所不具備的獨(dú)特光電功能。

圖2?石墨烯光子晶體光纖電光調(diào)制器

在光子學(xué)應(yīng)用方面，Gr-PCF這種新材料具有強(qiáng)烈的光與石墨烯的相互作用（透過(guò)率衰減可達(dá)~8 dB cm^-1）。通過(guò)離子液體柵壓調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)可調(diào)節(jié)的光吸收強(qiáng)度。所制備的電光調(diào)制器具有高調(diào)制深度（~20 dB cm^-1?@1550 nm），寬波帶響應(yīng)（1150-1600 nm）和低電壓（< 2 V）調(diào)制等特性。該Gr-PCF調(diào)制器具有與其他光學(xué)器件集成的巨大潛力和優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)全光纖系統(tǒng)中光的同步傳輸、調(diào)制和檢測(cè)一體化提供了可能。該工作為基于Gr-PCF材料的石墨烯工業(yè)化應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑，也為開(kāi)發(fā)新型石墨烯光子學(xué)器件如鎖模光纖激光器、波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的非線(xiàn)性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、寬帶偏振器、寬帶可飽和吸收器和光限幅器等提供了廣闊的平臺(tái)。本論文的主要合作者還包括加州大學(xué)伯克利分校王楓教授、芬蘭阿爾托大學(xué)孫志培教授。上述研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市石墨烯專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃的支持。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-019-0492-5

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