混合集成单层二硫化钨的微纳光纤：光纤非线性增强与调控

  南京大学徐飞教授、张学进教授、陆延青教授团队首次将单层单晶二硫化钨(WS2)薄膜集成到石英微纳光纤波导中，实现了全光纤器件中激子发光的增强与二阶非线频率转换的调控。该成果以“Tunable and enhanced light emission in hybrid WS2-optical-fiber-nanowire structures”为题，于2019年1月16日在线发表在Light Sci. Appl. 8, 8 (2019)上。

  近十年来，以石墨烯为代表的二维材料，由于具有优异的光、电、磁、力和热学等特性，而得到研究者广泛关注，并在基础物理和应用研究中扮演了重要角色。然而，基于二维材料的光电子器件的性能仍极大地受限于其横向物理尺寸与光波长的巨大失配，为此研究者提出利用光学谐振腔、表面等离激元和波导等结构来增强光-二维材料相互作用，并取得了众多进展。

  微纳光纤作为光纤光学与纳米技术的连接桥梁，可以实现微米尺度甚至纳米尺度光-物质相互作用，在传感、非线性光学、量子光学等领域有着重要应用。将二维材料集成到微纳光纤波导体系中，利用波导内禀的表面疏逝场效应与物质相互作用，可以突破二维材料的物理尺寸限制，实现增强的光-物质相互作用。另外，由于微纳光纤与现有光纤通讯网络的高度兼容性，二维材料-微纳光纤复合器件可以直接适用于光纤通讯系统，具有巨大的应用前景。

  图 1 (a)应变调控WS2-微纳光纤复合波导示意图;(b)实验测试应变调控WS2激子发光波长;(c)实验测试应变调控复合波导二次谐波产生。

  南京大学研究团队利用有机物薄膜辅助的微转移技术，将化学气相沉积法制备的单层单晶WS2薄膜可控地转移包裹到亚波长直径的石英光纤表面，实现了复合波导在近红外波段(1.5 μm)的低损耗光传输(~1dB)。相比于石墨烯，WS2具有更丰富的光电子特性，如单层薄膜直接带隙发光、自旋-谷电子效应和二阶非线性效应等。在这一工作中，他们系统地研究了波导增强的WS2激子的光吸收和荧光发射强度，如波导耦合的WS2激子共振吸收强度比自由空间耦合提高了6倍以上。

  单层WS2由于中心反演对称破缺，产生较强的二阶非线性，他们通过波导结构的设计，实现了近红外光泵浦的二次谐波转换效率比裸光纤提高了约20倍。进一步，他们在实验上首次展示了应变调控的WS2-微纳光纤器件的性能，实现了波导耦合的WS2激子光吸收、光发射波长的动态改变，以及二次谐波转换效率的切换。这种设计和调控策略可以推广到其它二维材料体系，为微纳光纤波导集成二维材料的高性能、可调谐的光电子器件的开发提供新的思路。

  论文第一作者是2015级博士生陈锦辉，通讯作者徐飞教授和陆延青教授。该研究由国家重点研发计划、自然科学基金重点项目资助完成，同时感谢人工微结构科学与技术协同创新中心、中央高校基本科研业务费等平台与项目的大力支持。