​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​深圳市二维材料孔雀团
少层黑磷用于全光信号处理

深圳大学张晗教授团队采用电化学阴极剥离方法联合离心技术,制备出了大面积少层黑磷,并构建了黑磷-微纳光纤复合结构,成功研发出了全光阈值和全光调制功能器件

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鉴于传统的电子处理速度逐渐逼近物理极限,人们将越来越多的目光投向全光信号处理技术。在高速光通信和光计算领域,全光信号处理的呼声极高。

在众多涉及全光信号处理的技术当中,全光调制和全光整形是不可或缺的。前者本质上就是用一束光来控制另外一束光的开、关状态,藉此能够极大地摆脱传统电控制光的窘境。后者则是对光信号进行整形,通过改进光信号脉冲的形状、抑制噪声水平,从而提高信号质量。全光整形避免了传统上先把光转换成电信号、电阈整形、再转换至光信号这一繁琐过程。

作为克服传统电子信号处理瓶颈的有效手段,全光信号处理亟需先进的非线性光学材料与器件支撑。新型二维材料以其所具备的优异非线性光学效应(饱和吸收效应和光克尔效应),被广泛应用于全光开关、波长转换、放大器和激光器、光通信信号处理、非线性光学光谱检测等多个领域。

    黑磷,一种新型的层状结构材料,甫一加入到二维材料家族中,便引起了研究者的广泛关注。黑磷的结构与石墨烯的片层状结构相似。但与石墨烯具有零带隙不同,二维黑磷材料具有0.3-2 eV可调节的直接带隙能带结构。此外,黑磷还有媲美于硅的高迁移率,并且其光电性质具有面内各向异性。上述特征使得黑磷在射频器件、逻辑晶体管、红外光调制器、偏振器等应用中表现出独特的优势。

然而尽管黑磷纳米材料被广泛看好,但大面积均匀少层黑磷的实际应用由于固有缺陷的存在以及合成过程中不可逆的氧化作用而受到严重的限制。针对上述问题,深圳大学张晗教授团队采用电化学阴极剥离方法联合离心技术,成功制备出了大面积少层黑磷,并构建了黑磷-微纳光纤复合结构,将之成功地应用于全光信号处理。

      Few-Layer Phosphorene-Decorated Microfiber for All-Optical Thresholding and Optical Modulation内封面论文形式发表在Advanced Optical Materials上。(点击下载)


 图1   Advanced Optical Materials 2017年第9期内封面

该团队采用电化学阴极剥离方法联合离心技术成功制备出了大面积少层(主要是4层)黑磷。然后,将少层黑磷材料光沉积在微纳光纤的拉锥区上,制备出黑磷-微纳光纤复合结构,其中微纳光纤作为光波导,实现光在微纳光纤中的稳定传输。利用微纳光纤表面的倏逝场和少层黑磷材料的相互作用,在高功率激光抽运下,黑磷的载流子会发生带间跃迁。在载流子的弛豫时间内,体系对其他透过的光不再吸收,由此即实现了黑磷的饱和吸收特性。基于此,该团队首次实现了能够抑制噪声、增强光脉冲信噪比的全光阈值器件。实验结果表明信噪比从3.54提升至17.5,如图2所示。

                     图2   全光阈值实验结果:(a)进入阈值器件之前的光脉冲波形;       (b)经过阈值器件之后的光脉冲波形;

                                             (c)不同入射光功率时光脉冲波形演化图;     (d) 不同入射光功率时相应的信噪比。

二维材料的饱和吸收效应被广泛用于全光调制当中。由于泡利不相容原理,开关光峰值时刻,材料将对信号光透明,否则将强烈吸收,这将导致开关光对信号光明显的强度调制。该团队首次实现了基于黑磷-微纳光纤复合结构的全光调制器,如图3所示。


图3 全光调制实验结果:(a)打开信号光情况下的输出光谱;(b)关闭信号光情况下的输出光谱;

                                             (c)打开或关闭信号光情况下的输出光脉冲波形;(d)原始开关光与新产生的调制光脉冲波形对比。

该项工作不仅表明通过电化学剥离方法可以成功制备出可扩展的少层黑磷,而且可应用黑磷优异的非线性光学特性来改进光通信系统的性能。因此该项工作不仅为二维材料光子学也为光通信系统的发展打开了一扇新的大门。