□陳明武 紀(jì)明明 方 鳴

非線(xiàn)性光學(xué)是光子學(xué)的一個(gè)分支,致力于非線(xiàn)性光和物質(zhì)之間的相互作用,更具體地說(shuō),介電極化后的誘導(dǎo)材料會(huì)對(duì)光電場(chǎng)產(chǎn)生非線(xiàn)性響應(yīng)。1961年，在發(fā)明第一臺(tái)激光器之后的一年，Peter Franken和他的同事首次用脈沖紅寶石激光器觀察到二次諧波產(chǎn)生(SHG)的非線(xiàn)性效應(yīng)，兩個(gè)具有相同頻率的光子被轉(zhuǎn)換成具有入射光子頻率的兩倍的新光子[1]。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著非線(xiàn)性光學(xué)的誕生。目前，各種非線(xiàn)性光學(xué)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中[2～3]。例如，用于微加工和顯微外科的超快激光器；用于醫(yī)學(xué)診斷、生物傳感和成像的各種形式的非線(xiàn)性光學(xué)光譜；以及用于光學(xué)通信的信息安全系統(tǒng)。

一、石墨烯非線(xiàn)性調(diào)制技術(shù)的最新成果

目前，“第三諧波產(chǎn)生(THG)”的非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程可以使用電柵電壓在石墨烯中進(jìn)行廣泛的調(diào)制[4]。目前，可電調(diào)制的SHG已經(jīng)被廣泛關(guān)注,單層WSE2(二維過(guò)渡金屬雙鹵素家族中經(jīng)過(guò)充分研究的半導(dǎo)體),具有一定的可擴(kuò)展性,但光譜帶寬比較有限[5]。石墨烯是一種單層的碳原子填充在二維蜂窩晶格中形成的2D材料，具有很強(qiáng)的超寬帶光-物質(zhì)相互作用，已被廣泛應(yīng)用于光子和光電子器件，包括光子源、光電調(diào)制器和光電探測(cè)器[6]。對(duì)于非線(xiàn)性光學(xué)來(lái)說(shuō)，由于反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，石墨烯不具備二階光學(xué)非線(xiàn)性特性，但是具有三階光學(xué)非線(xiàn)性特性[7]。石墨烯的飽和吸收就是一種超快脈沖產(chǎn)生的三階非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)[8]。

最新研究發(fā)現(xiàn)石墨烯化學(xué)勢(shì)(EF)具有選擇性地開(kāi)啟或關(guān)閉單光子和多光子共振躍遷的能力(如圖1所示，紅色箭頭表示在ω0頻率的輸入光子，藍(lán)色箭頭表示在3ω0的頻率下生成的三階諧波光子)。當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為1566nm時(shí)，在化學(xué)勢(shì)為0.74eV的情況下，可獲得30倍的最大調(diào)制強(qiáng)度。相關(guān)的參考文獻(xiàn)已經(jīng)得出類(lèi)似的結(jié)果[9]。試驗(yàn)證明在不需要波長(zhǎng)調(diào)制的情況下,門(mén)控(或摻雜)石墨烯比化學(xué)原始石墨烯樣品更適合與THG應(yīng)用。如此一來(lái)，利用摻雜的石墨烯可以提高具有低插入損耗的器件所需的三階非線(xiàn)性光學(xué)極化率并減少了線(xiàn)性光吸收帶來(lái)的負(fù)面影響。通過(guò)各種四波混合(FWM)過(guò)程的電氣操作(這是一個(gè)三階非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程),兩個(gè)或三個(gè)光子混合在一起,可以產(chǎn)生一個(gè)或兩個(gè)新的光子。由于單光子或多光子共振躍遷的相位差，差頻FWM的行為與THG完全不一樣。值得注意的是，這種具有多光子共振選擇的可調(diào)諧非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)也存在于石墨烯的非線(xiàn)性光學(xué)調(diào)制過(guò)程中，例如高次諧波產(chǎn)生。

圖1 石墨烯中的多光子共振效應(yīng)

二、石墨烯非線(xiàn)性調(diào)制技術(shù)的最新研究

由于激子躍遷能量較窄，單層WSE2中的三階非線(xiàn)性諧波產(chǎn)生過(guò)程的操作帶寬(在低工作溫度下大約幾十毫伏)非常有限。據(jù)最新報(bào)道,可調(diào)諧THG的操作帶寬從1,300納米到1,650納米,涵蓋了最常見(jiàn)的光纖通信光譜1,550納米。如此寬的操作帶寬來(lái)自石墨烯狄拉克費(fèi)米子的線(xiàn)性能量色散，這與以前的電可調(diào)演示結(jié)果完全不同。從理論上講，狄拉克材料中的可調(diào)諧非線(xiàn)性光學(xué)器件的寬頻帶操作應(yīng)該是可能的，因?yàn)樵介L(zhǎng)的工作波長(zhǎng)(例如中紅外光譜區(qū)域)自然摻雜越小，而越短的工作波長(zhǎng)(例如可見(jiàn)光譜區(qū)域)摻雜越高。還有其他狄拉克材料,如拓?fù)浣^緣體和某些半金屬,其非線(xiàn)性光學(xué)特性更加有趣，值得進(jìn)一步研究。石墨烯的光學(xué)頻寬很寬，具有光可調(diào)非線(xiàn)性特性，這為電調(diào)諧非線(xiàn)性光學(xué)器件的研究提供了一種新方法。

在過(guò)去的一段時(shí)間里,石墨烯和其他二維層狀材料的非線(xiàn)性光學(xué)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。然而，研究人員在測(cè)量了它們的非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)之后發(fā)現(xiàn)，不同的材料，其測(cè)量結(jié)果可能相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，例如三階極化的石墨烯和二階非線(xiàn)性光學(xué)極化的二硫化鉬。研究結(jié)果表明，在不同的摻雜水平下，石墨烯的三階非線(xiàn)性響應(yīng)效果差別很大。所以，不得不考慮摻雜水平以獲得非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)的科學(xué)比較。

光學(xué)納米材料之間的非線(xiàn)性相互作用通常沿著相互作用長(zhǎng)度而不斷地相干積聚。石墨烯和其他二維材料只包含一個(gè)或幾個(gè)原子層,它們的相互作用長(zhǎng)度非常有限。因此,盡管有一個(gè)較大的三階極化率,但2D材料的頻率轉(zhuǎn)換效率非常低(約3x10-10%)。未來(lái)的研究工作可能致力于尋找使用各種方法來(lái)增強(qiáng)2D材料中的非線(xiàn)性光學(xué)相互作用，包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)、相位匹配方法、波導(dǎo)/光纖集成和光學(xué)諧振器。此外,各種極化子(例如,等離子體、聲子和激子偏振)和光子超材料可以對(duì)二維材料及其混合異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的光學(xué)非線(xiàn)性過(guò)程進(jìn)行局部增強(qiáng)和操作。(圖2a～c，a、光子晶體腔。b、微磁盤(pán)諧振器。c,可電動(dòng)調(diào)諧微諧振器。圖2d，等離子體結(jié)構(gòu)。紅色箭頭表示輸入光子,以及藍(lán)色和綠色箭頭表示在不同頻率下所產(chǎn)生的光子。)

圖2 二維材料中的非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)

電可調(diào)非線(xiàn)性光學(xué)材料在光子學(xué)的各個(gè)方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。人們已經(jīng)制造出各種各樣的、廣泛使用的光子器件(例如脈沖激光器、開(kāi)關(guān)、調(diào)制器和存儲(chǔ)器)，相對(duì)于電子技術(shù)來(lái)說(shuō)，光子技術(shù)有著無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，包括芯片光子學(xué)、量子納米光子學(xué)、非線(xiàn)性等離子體光子學(xué)和強(qiáng)場(chǎng)納米物理學(xué)在內(nèi)的非線(xiàn)性納米光子應(yīng)用受到了人們的廣泛關(guān)注。然而,由于相對(duì)較小的非線(xiàn)性光學(xué)敏感性和復(fù)雜而昂貴的制造和集成方法，采用傳統(tǒng)塊狀晶體的解決方案已經(jīng)達(dá)到了其材料特性所帶來(lái)的技術(shù)極限。

四、石墨烯非線(xiàn)性調(diào)制技術(shù)的未來(lái)展望

石墨烯和其他具有較大非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)的二維材料具有與集成芯片兼容的優(yōu)點(diǎn),因此利用二維材料的非線(xiàn)性響應(yīng)特性，人們有信心應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的非線(xiàn)性納米光學(xué)和納米物理學(xué)所帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。石墨烯和石墨烯類(lèi)材料的門(mén)可調(diào)諧非線(xiàn)性光學(xué)機(jī)制有著各種優(yōu)勢(shì),占地面積小、速度快(超過(guò)幾十GHZ)和兼容互補(bǔ)金屬氧化物(CMOS)等,這些優(yōu)點(diǎn)是未來(lái)芯片發(fā)展所必需的條件。如果二維材料中的非線(xiàn)性光學(xué)相互作用能夠繼續(xù)增強(qiáng)，大規(guī)模、高質(zhì)量的二維材料能夠不斷生產(chǎn)，那么，使用完全不同的方法來(lái)構(gòu)造電可調(diào)諧的非線(xiàn)性光學(xué)納米裝置(例如，頻率梳，超快激光器，太赫茲元件，量子源，光參量的來(lái)源等)指日可待，這些裝置不但在計(jì)量、傳感和成像方面有著重要應(yīng)用，而且對(duì)量子技術(shù)和電信技術(shù)的發(fā)展也有著重要研究?jī)r(jià)值。