氧化石墨烯薄膜:下一代高性能非线性全光芯片的平台

三阶非线性,特别是克尔非线性,是实现高性能集成光子器件的关键。光子芯片的许多重要功能,如全光开关,信号再生,超快通信都离不开它。找寻一种具有超高三阶非线性,并且易于加工各种功能性微纳结构的材料是众多的光学科研工作者的梦想,也是成功研制超高性能全光芯片的必由之路。

石墨烯作为一种全新的二维薄膜材料具有天然的的可集成性和优异的光电性能。它的三阶非线性大大优于多种传统的非线性材料。但是大面积石墨烯薄膜的制备和加工还存在巨大的挑战,这也给石墨烯功能器件的研究和应用造成了很大的障碍。与石墨烯相比,氧化石墨烯不但具有多种优异的物理化学性能,而且易于合成。更重要的是氧化石墨烯中的氧成分可以通过物理或化学手段被连续改变,最终被还原成石墨烯。在这个过程中材料的导电性,禁带特性和折射率都会发生连续调制,形成独特而优异的可调谐型新材料。在近期发表的Advanced Materials上,澳大利亚微光子学中心贾宝华教授领导的科研小组首次发现在用激光直写氧化石墨烯薄膜形成微纳米结构的过程中,材料的非线性可以实现激光功率可控的动态调谐。

利用自组装和旋涂相结合的方法,该团队首先制作了厚度均匀且可控的高质量氧化石墨烯薄膜。由于以往对氧化石墨烯的非线性的研究主要集中在溶液和纳米复合材料中,对纯氧化石墨烯薄膜的研究相对较少,但却意义重大。令人兴奋的是,该薄膜的非线性特性给了研究人员极大的惊喜。与传统的非线性材料相比,氧化石墨烯的三阶非线性高出了整整1000倍。更令人振奋的是对整个激光直写过程中的实时测量显示出,随着激光功率的增加,氧化石墨烯中的氧成分逐渐减少,而非线性也呈现出被动态调谐的丰富变化。不但材料的非线性系数的大小产生改变,其非线性吸收和折射的符号也发生变化。这种丰富的非线性特性完全可以通过控制激光功率来实现动态操控。

从实现功能器件的角度来说,非线性品质因子(figure of merit)是一个非常重要的参数。非线性品质因子是否大于1普遍被认为是能否实现可集成化非线性器件的判据。传统的非线性材料非线性品质因子都远远小于1,用这些材料形成的功能器件将需要很长的作用距离才能达到所需的非线性调制。因此器件的小型化,集成化面临巨大挑战。氧化石墨烯薄膜的非线性品质因子高达4.56,属于已知非线性材料中最高的一类。

结合氧化石墨烯薄膜可被直接激光加工形成微纳光学结构的特性以及非线性性能可动态操控的特性,我们可以预见这种独特的材料在未来的超小型化,集成化的光学芯片中大有可为。