我校物理与电子学院微纳光子材料及应用研究所陈珂副教授，与北京大学刘忠范院士、刘开辉研究员研究团队紧密合作，在石墨烯光子晶体光纤材料与光电器件研究方面取得重要进展。相关成果以“Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light–matter interaction”为题，于2019年08月12日在线发表在Nature旗下光学领域国际顶级期刊《自然•光子学》（Nature Photonics, 2019, 13, DOI: 10.1038/s41566-019-0492-5，影响因子31.583)，陈珂为论文第一作者，刘忠范院士和刘开辉研究员为共同通讯作者，河南大学为第二署名单位。
以光子晶体光纤（PCF）为代表的特种光纤体现了过去60年光纤领域发展的里程碑式进步。相对于传统无截止单模光纤，其拥有超越了传统光纤的极其丰富的功能，被广泛应用于超连续光源、光频梳、光孤子传播、大功率脉冲激光器等领域。PCF精巧的周期性多孔结构使其能够与包括气体、液体、固体到液晶在内的多种功能材料复合，从而扩展其在锁模光纤激光器、激光变频器、表面等离子体产生和光纤电光调制器等器件的新功能。石墨烯具有独特的无质量Dirac费米子、线性色散关系等固有属性，表现出超高的载流子迁移率、宽频带光学响应和可电场调谐等优点，在光子和光电子器件领域颇具应用前景。石墨烯的兴起自然激发了人们将PCF与二维材料进行融合的浓厚兴趣。以往的工作通常是将石墨烯薄膜转移到光纤表面，或将石墨烯粉体填入PCF孔洞中，实现石墨烯/光纤复合结构的制备。然而，这些尝试都只是停留在实验室制备水平上，石墨烯与光纤集成的面积很小，光耦合效率较低，距大规模生产与材料工业级应用仍存在不小的差距。
本工作首次提出利用化学气相沉积法制备长度可达半米的石墨烯光子晶体光纤材料（Gr-PCF）。该方法的特点在于能够在PCF的内部微细孔道中实现不同厚度、均匀性的石墨烯薄膜的直接原位生长。按照传统的石墨烯生长理论，如果没有金属催化剂的参与，在长距离PCF微米级孔洞中直接生长石墨烯是非常困难的。为保持光纤结构和功能不变性，该石墨烯生长过程未引入金属催化剂。而是根据气体的流体力学理论，利用反应气体的分子流模型设计实验条件，突破了限阈空间中石墨烯的无催化生长瓶颈，成功实现了孔道内壁高质量石墨烯薄膜的均匀生长（图1）。
图1 石墨烯光子晶体光纤的可控制备
基于这种特殊复合结构，Gr-PCF实现了强烈的光与物质相互作用，光衰减系数高达8 dB cm-1，远高于单层石墨烯的光衰减效率。通过对光纤内部的石墨烯进行离子液体栅压调控，能够实现可调节的光与石墨烯相互作用。基于Gr-PCF制备的电光调制器具有宽频带光响应（1150-1600 nm光通讯波段）特性，在低电压（< 2 V）下实现了1550 nm光信号高达20 dB cm-1的深度调制（图2）。这为全光纤系统的光信号传输、调制和检测一体化提供了可能。
图2 石墨烯光子晶体光纤电光调制器
该研究不仅为石墨烯功能材料的规模化制备开辟了新途径，也为全光纤通信系统的制造与功能拓展奠定了基础，更重要的是为其他二维材料/光纤复合结构的可控制备及应用提供了广阔平台。
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、河南省中原青年拔尖人才计划、河南大学青年英才计划等项目的资助，也得到了其他合作者加州大学伯克利分校Feng Wang教授和芬兰阿尔特大学Zhipei Sun教授的支持和帮助。该研究为陈珂2016年发表于《自然•通讯》（Nature Communications）的有关石墨烯微结构生长方法研究工作的深入与延续（Nat. Commun., 2016, 7, 13440）。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-019-0492-5
