基于石墨烯的非线性调制技术

□陈明武 纪明明 方 鸣

非线性光学是光子学的一个分支,致力于非线性光和物质之间的相互作用,更具体地说,介电极化后的诱导材料会对光电场产生非线性响应。1961年，在发明第一台激光器之后的一年，Peter Franken和他的同事首次用脉冲红宝石激光器观察到二次谐波产生(SHG)的非线性效应，两个具有相同频率的光子被转换成具有入射光子频率的两倍的新光子[1]。这一发现标志着非线性光学的诞生。目前，各种非线性光学设备已经广泛应用于人们的日常生活中[2～3]。例如，用于微加工和显微外科的超快激光器；用于医学诊断、生物传感和成像的各种形式的非线性光学光谱；以及用于光学通信的信息安全系统。

一、石墨烯非线性调制技术的最新成果

目前，“第三谐波产生(THG)”的非线性光学过程可以使用电栅电压在石墨烯中进行广泛的调制[4]。目前，可电调制的SHG已经被广泛关注,单层WSE2(二维过渡金属双卤素家族中经过充分研究的半导体),具有一定的可扩展性,但光谱带宽比较有限[5]。石墨烯是一种单层的碳原子填充在二维蜂窝晶格中形成的2D材料，具有很强的超宽带光-物质相互作用，已被广泛应用于光子和光电子器件，包括光子源、光电调制器和光电探测器[6]。对于非线性光学来说，由于反转对称性，石墨烯不具备二阶光学非线性特性，但是具有三阶光学非线性特性[7]。石墨烯的饱和吸收就是一种超快脉冲产生的三阶非线性光学响应[8]。

最新研究发现石墨烯化学势(EF)具有选择性地开启或关闭单光子和多光子共振跃迁的能力(如图1所示，红色箭头表示在ω0频率的输入光子，蓝色箭头表示在3ω0的频率下生成的三阶谐波光子)。当激发波长为1566nm时，在化学势为0.74eV的情况下，可获得30倍的最大调制强度。相关的参考文献已经得出类似的结果[9]。试验证明在不需要波长调制的情况下,门控(或掺杂)石墨烯比化学原始石墨烯样品更适合与THG应用。如此一来，利用掺杂的石墨烯可以提高具有低插入损耗的器件所需的三阶非线性光学极化率并减少了线性光吸收带来的负面影响。通过各种四波混合(FWM)过程的电气操作(这是一个三阶非线性光学过程),两个或三个光子混合在一起,可以产生一个或两个新的光子。由于单光子或多光子共振跃迁的相位差，差频FWM的行为与THG完全不一样。值得注意的是，这种具有多光子共振选择的可调谐非线性光学响应也存在于石墨烯的非线性光学调制过程中，例如高次谐波产生。

图1 石墨烯中的多光子共振效应

二、石墨烯非线性调制技术的最新研究

由于激子跃迁能量较窄，单层WSE2中的三阶非线性谐波产生过程的操作带宽(在低工作温度下大约几十毫伏)非常有限。据最新报道,可调谐THG的操作带宽从1,300纳米到1,650纳米,涵盖了最常见的光纤通信光谱1,550纳米。如此宽的操作带宽来自石墨烯狄拉克费米子的线性能量色散，这与以前的电可调演示结果完全不同。从理论上讲，狄拉克材料中的可调谐非线性光学器件的宽频带操作应该是可能的，因为越长的工作波长(例如中红外光谱区域)自然掺杂越小，而越短的工作波长(例如可见光谱区域)掺杂越高。还有其他狄拉克材料,如拓扑绝缘体和某些半金属,其非线性光学特性更加有趣，值得进一步研究。石墨烯的光学频宽很宽，具有光可调非线性特性，这为电调谐非线性光学器件的研究提供了一种新方法。

在过去的一段时间里,石墨烯和其他二维层状材料的非线性光学研究已经取得了很大的进步。然而，研究人员在测量了它们的非线性光学响应之后发现，不同的材料，其测量结果可能相差几个数量级，例如三阶极化的石墨烯和二阶非线性光学极化的二硫化钼。研究结果表明，在不同的掺杂水平下，石墨烯的三阶非线性响应效果差别很大。所以，不得不考虑掺杂水平以获得非线性光学响应的科学比较。

光学纳米材料之间的非线性相互作用通常沿着相互作用长度而不断地相干积聚。石墨烯和其他二维材料只包含一个或几个原子层,它们的相互作用长度非常有限。因此,尽管有一个较大的三阶极化率,但2D材料的频率转换效率非常低(约3x10-10%)。未来的研究工作可能致力于寻找使用各种方法来增强2D材料中的非线性光学相互作用，包括异质结构、相位匹配方法、波导/光纤集成和光学谐振器。此外,各种极化子(例如,等离子体、声子和激子偏振)和光子超材料可以对二维材料及其混合异质结构中的光学非线性过程进行局部增强和操作。(图2a～c，a、光子晶体腔。b、微磁盘谐振器。c,可电动调谐微谐振器。图2d，等离子体结构。红色箭头表示输入光子,以及蓝色和绿色箭头表示在不同频率下所产生的光子。)

图2 二维材料中的非线性光学响应

电可调非线性光学材料在光子学的各个方面发挥着越来越重要的作用。人们已经制造出各种各样的、广泛使用的光子器件(例如脉冲激光器、开关、调制器和存储器)，相对于电子技术来说，光子技术有着无与伦比的优点。近年来，包括芯片光子学、量子纳米光子学、非线性等离子体光子学和强场纳米物理学在内的非线性纳米光子应用受到了人们的广泛关注。然而,由于相对较小的非线性光学敏感性和复杂而昂贵的制造和集成方法，采用传统块状晶体的解决方案已经达到了其材料特性所带来的技术极限。

四、石墨烯非线性调制技术的未来展望

石墨烯和其他具有较大非线性光学响应的二维材料具有与集成芯片兼容的优点,因此利用二维材料的非线性响应特性，人们有信心应对即将到来的非线性纳米光学和纳米物理学所带来的严峻挑战。石墨烯和石墨烯类材料的门可调谐非线性光学机制有着各种优势,占地面积小、速度快(超过几十GHZ)和兼容互补金属氧化物(CMOS)等,这些优点是未来芯片发展所必需的条件。如果二维材料中的非线性光学相互作用能够继续增强，大规模、高质量的二维材料能够不断生产，那么，使用完全不同的方法来构造电可调谐的非线性光学纳米装置(例如，频率梳，超快激光器，太赫兹元件，量子源，光参量的来源等)指日可待，这些装置不但在计量、传感和成像方面有着重要应用，而且对量子技术和电信技术的发展也有着重要研究价值。