近日，河南大學物理與電子學院微納光子材料及應用研究所陳珂副教授與北京大學劉忠範院士、劉開輝研究員研究團隊緊密合作，在石墨烯光子晶體光纖材料與光電器件研究方面取得重要進展。相關成果以"Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light–matter interaction"為題，於2019年08月12日在線發表在Nature旗下光學領域國際頂級期刊《自然•光子學》（Nature Photonics, 2019, 13, DOI: 10.1038/s41566-019-0492-5，影響因子31.583)，陳珂為論文第一作者，劉忠範院士和劉開輝研究員為共同通訊作者，河南大學為第二署名單位。該研究為陳珂2016年發表於《自然•通訊》（Nature Communications）的有關石墨烯微結構生長方法研究工作的深入與延續（Nat. Commun., 2016, 7, 13440）。
近日，河南大學物理與電子學院微納光子材料及應用研究所陳珂副教授與北京大學劉忠範院士、劉開輝研究員研究團隊緊密合作，在石墨烯光子晶體光纖材料與光電器件研究方面取得重要進展。相關成果以"Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light–matter interaction"為題，於2019年08月12日在線發表在Nature旗下光學領域國際頂級期刊《自然•光子學》（Nature Photonics, 2019, 13, DOI: 10.1038/s41566-019-0492-5，影響因子31.583)，陳珂為論文第一作者，劉忠範院士和劉開輝研究員為共同通訊作者，河南大學為第二署名單位。該研究為陳珂2016年發表於《自然•通訊》（Nature Communications）的有關石墨烯微結構生長方法研究工作的深入與延續（Nat. Commun., 2016, 7, 13440）。
以光子晶體光纖（PCF）為代表的特種光纖體現了過去60年光纖領域發展的里程碑式進步。相對於傳統無截止單模光纖，其擁有超越了傳統光纖的極其豐富的功能，被廣泛應用於超連續光源、光頻梳、光孤子傳播、大功率脈衝激光器等領域。PCF精巧的週期性多孔結構使其能夠與包括氣體、液體、固體到液晶在內的多種功能材料複合，從而擴展其在鎖模光纖激光器、激光變頻器、表面等離子體產生和光纖電光調製器等器件的新功能。石墨烯具有獨特的無質量Dirac費米子、線性色散關係等固有屬性，表現出超高的載流子遷移率、寬頻帶光學響應和可電場調諧等優點，在光子和光電子器件領域頗具應用前景。石墨烯的興起自然激發了人們將PCF與二維材料進行融合的濃厚興趣。以往的工作通常是將石墨烯薄膜轉移到光纖表面，或將石墨烯粉體填入PCF孔洞中，實現石墨烯/光纖複合結構的製備。然而，這些嘗試都只是停留在實驗室製備水平上，石墨烯與光纖集成的面積很小，光耦合效率較低，距大規模生產與材料工業級應用仍存在不小的差距。
本工作首次提出利用化學氣相沉積法制備長度可達半米的石墨烯光子晶體光纖材料（Gr-PCF）。該方法的特點在於能夠在PCF的內部微細孔道中實現不同厚度、均勻性的石墨烯薄膜的直接原位生長。按照傳統的石墨烯生長理論，如果沒有金屬催化劑的參與，在長距離PCF微米級孔洞中直接生長石墨烯是非常困難的。為保持光纖結構和功能不變性，該石墨烯生長過程未引入金屬催化劑。而是根據氣體的流體力學理論，利用反應氣體的分子流模型設計實驗條件，突破了限閾空間中石墨烯的無催化生長瓶頸，成功實現了孔道內壁高質量石墨烯薄膜的均勻生長。
近日，河南大學物理與電子學院微納光子材料及應用研究所陳珂副教授與北京大學劉忠範院士、劉開輝研究員研究團隊緊密合作，在石墨烯光子晶體光纖材料與光電器件研究方面取得重要進展。相關成果以"Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light–matter interaction"為題，於2019年08月12日在線發表在Nature旗下光學領域國際頂級期刊《自然•光子學》（Nature Photonics, 2019, 13, DOI: 10.1038/s41566-019-0492-5，影響因子31.583)，陳珂為論文第一作者，劉忠範院士和劉開輝研究員為共同通訊作者，河南大學為第二署名單位。該研究為陳珂2016年發表於《自然•通訊》（Nature Communications）的有關石墨烯微結構生長方法研究工作的深入與延續（Nat. Commun., 2016, 7, 13440）。
以光子晶體光纖（PCF）為代表的特種光纖體現了過去60年光纖領域發展的里程碑式進步。相對於傳統無截止單模光纖，其擁有超越了傳統光纖的極其豐富的功能，被廣泛應用於超連續光源、光頻梳、光孤子傳播、大功率脈衝激光器等領域。PCF精巧的週期性多孔結構使其能夠與包括氣體、液體、固體到液晶在內的多種功能材料複合，從而擴展其在鎖模光纖激光器、激光變頻器、表面等離子體產生和光纖電光調製器等器件的新功能。石墨烯具有獨特的無質量Dirac費米子、線性色散關係等固有屬性，表現出超高的載流子遷移率、寬頻帶光學響應和可電場調諧等優點，在光子和光電子器件領域頗具應用前景。石墨烯的興起自然激發了人們將PCF與二維材料進行融合的濃厚興趣。以往的工作通常是將石墨烯薄膜轉移到光纖表面，或將石墨烯粉體填入PCF孔洞中，實現石墨烯/光纖複合結構的製備。然而，這些嘗試都只是停留在實驗室製備水平上，石墨烯與光纖集成的面積很小，光耦合效率較低，距大規模生產與材料工業級應用仍存在不小的差距。
本工作首次提出利用化學氣相沉積法制備長度可達半米的石墨烯光子晶體光纖材料（Gr-PCF）。該方法的特點在於能夠在PCF的內部微細孔道中實現不同厚度、均勻性的石墨烯薄膜的直接原位生長。按照傳統的石墨烯生長理論，如果沒有金屬催化劑的參與，在長距離PCF微米級孔洞中直接生長石墨烯是非常困難的。為保持光纖結構和功能不變性，該石墨烯生長過程未引入金屬催化劑。而是根據氣體的流體力學理論，利用反應氣體的分子流模型設計實驗條件，突破了限閾空間中石墨烯的無催化生長瓶頸，成功實現了孔道內壁高質量石墨烯薄膜的均勻生長。
（石墨烯光子晶體光纖的可控制備）
基於這種特殊複合結構，Gr-PCF實現了強烈的光與物質相互作用，光衰減係數高達8 dB cm-1，遠高於單層石墨烯的光衰減效率。通過對光纖內部的石墨烯進行離子液體柵壓調控，能夠實現可調節的光與石墨烯相互作用。基於Gr-PCF製備的電光調製器具有寬頻帶光響應（1150-1600 nm光通訊波段）特性，在低電壓（< 2 V）下實現了1550 nm光信號高達20 dB cm-1的深度調製。這為全光纖系統的光信號傳輸、調製和檢測一體化提供了可能。
近日，河南大學物理與電子學院微納光子材料及應用研究所陳珂副教授與北京大學劉忠範院士、劉開輝研究員研究團隊緊密合作，在石墨烯光子晶體光纖材料與光電器件研究方面取得重要進展。相關成果以"Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light–matter interaction"為題，於2019年08月12日在線發表在Nature旗下光學領域國際頂級期刊《自然•光子學》（Nature Photonics, 2019, 13, DOI: 10.1038/s41566-019-0492-5，影響因子31.583)，陳珂為論文第一作者，劉忠範院士和劉開輝研究員為共同通訊作者，河南大學為第二署名單位。該研究為陳珂2016年發表於《自然•通訊》（Nature Communications）的有關石墨烯微結構生長方法研究工作的深入與延續（Nat. Commun., 2016, 7, 13440）。
以光子晶體光纖（PCF）為代表的特種光纖體現了過去60年光纖領域發展的里程碑式進步。相對於傳統無截止單模光纖，其擁有超越了傳統光纖的極其豐富的功能，被廣泛應用於超連續光源、光頻梳、光孤子傳播、大功率脈衝激光器等領域。PCF精巧的週期性多孔結構使其能夠與包括氣體、液體、固體到液晶在內的多種功能材料複合，從而擴展其在鎖模光纖激光器、激光變頻器、表面等離子體產生和光纖電光調製器等器件的新功能。石墨烯具有獨特的無質量Dirac費米子、線性色散關係等固有屬性，表現出超高的載流子遷移率、寬頻帶光學響應和可電場調諧等優點，在光子和光電子器件領域頗具應用前景。石墨烯的興起自然激發了人們將PCF與二維材料進行融合的濃厚興趣。以往的工作通常是將石墨烯薄膜轉移到光纖表面，或將石墨烯粉體填入PCF孔洞中，實現石墨烯/光纖複合結構的製備。然而，這些嘗試都只是停留在實驗室製備水平上，石墨烯與光纖集成的面積很小，光耦合效率較低，距大規模生產與材料工業級應用仍存在不小的差距。
本工作首次提出利用化學氣相沉積法制備長度可達半米的石墨烯光子晶體光纖材料（Gr-PCF）。該方法的特點在於能夠在PCF的內部微細孔道中實現不同厚度、均勻性的石墨烯薄膜的直接原位生長。按照傳統的石墨烯生長理論，如果沒有金屬催化劑的參與，在長距離PCF微米級孔洞中直接生長石墨烯是非常困難的。為保持光纖結構和功能不變性，該石墨烯生長過程未引入金屬催化劑。而是根據氣體的流體力學理論，利用反應氣體的分子流模型設計實驗條件，突破了限閾空間中石墨烯的無催化生長瓶頸，成功實現了孔道內壁高質量石墨烯薄膜的均勻生長。
（石墨烯光子晶體光纖的可控制備）
基於這種特殊複合結構，Gr-PCF實現了強烈的光與物質相互作用，光衰減係數高達8 dB cm-1，遠高於單層石墨烯的光衰減效率。通過對光纖內部的石墨烯進行離子液體柵壓調控，能夠實現可調節的光與石墨烯相互作用。基於Gr-PCF製備的電光調製器具有寬頻帶光響應（1150-1600 nm光通訊波段）特性，在低電壓（< 2 V）下實現了1550 nm光信號高達20 dB cm-1的深度調製。這為全光纖系統的光信號傳輸、調製和檢測一體化提供了可能。
（石墨烯光子晶體光纖電光調製器）
這項研究不僅為石墨烯功能材料的規模化製備開闢了新途徑，也為全光纖通信系統的製造與功能拓展奠定了基礎，更重要的是為其他二維材料/光纖複合結構的可控制備及應用提供了廣闊平臺。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、河南省中原青年拔尖人才計劃、河南大學青年英才計劃等項目的資助，也得到了其他合作者加州大學伯克利分校Feng Wang教授和芬蘭阿爾特大學Zhipei Sun教授的支持和幫助。
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（部分來源：河南大學新聞網）
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