光通信迎來史上極限突破：少層黑磷應用提升系統性能

OFweek光通訊網訊：鑒於傳統的電子處理速度逐漸逼近物理極限，人們將越來越多的目光投向全光信號處理技術。在高速光通信和光計算領域，全光信號處理的呼聲極高。

在眾多涉及全光信號處理的技術當中，全光調製和全光整形是不可或缺的。前者本質上就是用一束光來控制另外一束光的開、關狀態，藉此能夠極大地擺脫傳統電控制光的窘境。後者則是對光信號進行整形，通過改進光信號脈衝的形狀、抑制雜訊水平，從而提高信號質量。全光整形避免了傳統上先把光轉換成電信號、電閾整形、再轉換至光信號這一繁瑣過程。

作為克服傳統電子信號處理瓶頸的有效手段，全光信號處理亟需先進的非線性光學材料與器件支撐。新型二維材料以其所具備的優異非線性光學效應（飽和吸收效應和光克爾效應），被廣泛應用於全光開關、波長轉換、放大器和激光器、光通信信號處理、非線性光學光譜檢測等多個領域。

黑磷，一種新型的層狀結構材料，甫一加入到二維材料家族中，便引起了研究者的廣泛關注。黑磷的結構與石墨烯的片層狀結構相似。但與石墨烯具有零帶隙不同，二維黑磷材料具有0.3-2 eV可調節的直接帶隙能帶結構。此外，黑磷還有媲美於硅的高遷移率，並且其光電性質具有面內各向異性。上述特徵使得黑磷在射頻器件、邏輯晶體管、紅外光調製器、偏振器等應用中表現出獨特的優勢。

然而儘管黑磷納米材料被廣泛看好,但大面積均勻少層黑磷的實際應用由於固有缺陷的存在以及合成過程中不可逆的氧化作用而受到嚴重的限制。針對上述問題，深圳大學張晗教授團隊採用電化學陰極剝離方法聯合離心技術，成功製備出了大面積少層黑磷，並構建了黑磷-微納光纖複合結構，將之成功地應用於全光信號處理。相關成果以內封面論文形式發表在Advanced Optical Materials [170002, 5 (2017)]上。

圖1 Advanced Optical Materials 2017年第9期內封面

該團隊採用電化學陰極剝離方法聯合離心技術成功製備出了大面積少層（主要是4層）黑磷。然後,將少層黑磷材料光沉積在微納光纖的拉錐區上，製備出黑磷-微納光纖複合結構，其中微納光纖作為光波導，實現光在微納光纖中的穩定傳輸。利用微納光纖表面的倏逝場和少層黑磷材料的相互作用，在高功率激光抽運下，黑磷的載流子會發生帶間躍遷。在載流子的弛豫時間內，體系對其他透過的光不再吸收，由此即實現了黑磷的飽和吸收特性。基於此,該團隊首次實現了能夠抑制雜訊、增強光脈衝信噪比的全光閾值器件。實驗結果表明信噪比從3.54提升至17.5，如圖2所示。

圖2 全光閾值實驗結果：(a)進入閾值器件之前的光脈衝波形；（b）經過閾值器件之後的光脈衝波形；(c)不同入射光功率時光脈衝波形演化圖；(d) 不同入射光功率時相應的信噪比。

二維材料的飽和吸收效應被廣泛用於全光調製當中。由於泡利不相容原理，開關光峰值時刻，材料將對信號光透明，否則將強烈吸收，這將導致開關光對信號光明顯的強度調製。該團隊首次實現了基於黑磷-微納光纖複合結構的全光調製器，如圖3所示。

圖3 全光調製實驗結果：(a)打開信號光情況下的輸出光譜；(b)關閉信號光情況下的輸出光譜；(c)打開或關閉信號光情況下的輸出光脈衝波形；(d)原始開關光與新產生的調製光脈衝波形對比。

該項工作不僅表明通過電化學剝離方法可以成功製備出可擴展的少層黑磷，而且可應用黑磷優異的非線性光學特性來改進光通信系統的性能。因此該項工作不僅為二維材料光子學也為光通信系統的發展打開了一扇新的大門。

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