北京大学刘忠范院士团队JACS：将二维材料“装”进光纤，开启光学调控新道路 材料 作者：X-MOL 2025-09-22 光纤是现代通信与信息技术的中枢神经。随着大数据、人工智能和量子通信的快速发展，人类对光纤信息传输速度、容量与稳定性的要求越来越高。空芯反共振光纤（Antiresonant Hollow-Core Fiber, ARF）作为新一代光纤的重要分支，拥有超低损耗、超快传输和超宽带宽等优势。然而，如何在维持低损耗的同时，进一步增强光纤的非线性调控能力，以满足全光信号处理和片上集成光子学的需求，一直是困扰该领域的关键科学问题。 近期， 北京大学刘忠范 院士、 刘开辉 教授团队与 芬兰阿尔托大学孙志培 教授团队联合攻关，针对催化惰性的光纤孔洞中二维材料生长可控性差的问题， 在反谐振空芯光纤的微米尺度的孔洞内，通过化学气相沉积生长方法，实现了六方氮化硼/石墨烯（hBN/Gr）垂直堆叠异质结的精确构筑与厚度的可控调节。 这一创新性的材料-光纤融合策略，在光纤中实现了基于二维材料的全光调制器件，并显著提升了光学非线性调控能力。该研究成果发表于国际顶级化学期刊 Journal of the American Chemical Society 。北京大学毕业生 程熠 博士、 谢瑾 博士以及芬兰阿尔托大学博士后 程旭 博士为论文的共同第一作者，北京大学 刘忠范 院士、 刘开辉 教授、 程熠 博士、阿尔托大学 孙志培 教授为论文通讯作者。其他的合作者包括南京理工大学于文韬教授、华南师范大学周旭研究员、北京大学洪浩研究员、河南大学陈珂教授、中国科学院上海光机所庞盟研究员、江昕研究员。 本研究首次将二维材料异质结构“装”进光纤中，并通过界面调控实现了可控的光学性能增强： （1）界面工程调控。 通过引入富含羟基的甲醇作为生长调控剂，有效抑制了石墨烯的多层缺陷的生成，提升了石墨烯的平整度和畴区尺寸，从而在微米级光纤孔洞内壁实现了高质量石墨烯的均匀沉积（图1）。这一优化界面为后续BN在石墨烯表面的垂直外延堆叠提供了理想平台。 图1. 界面工程调控：甲醇辅助超平整石墨烯生长，光纤孔洞中氮化硼在石墨烯表面的垂直堆叠，减少了氮化硼-石墨烯的层间掺杂。 （2）光学性能调控。 通过在石墨烯表面精准控制BN层厚度（5–50 nm），实现了光纤内部光学共振的可调谐性，从而显著增强了光与石墨烯的相互作用（图2）。 图2. 模拟光学调控：BN厚度调控科研改变光场分布，实现光纤性能的可调谐性。 （3）全光调制性能提升。 引入BN后，石墨烯光纤的饱和吸收调制深度从4%提升至10%，全光调制深度提升>75%（图3），展现出在高速光通信、片上光子学和量子调控中的应用潜力。 图3. 全光调制性能提升。异质结构筑提升了单一石墨烯光纤的非线性光学特性。 小结 这一突破性成果不仅拓展了二维材料在光纤平台中的应用边界，更为未来的可调谐光波导和高集成光子器件开辟了新的可能。 研究表明，通过二位材料面内堆叠控制，即便在结构固定的光纤中，也可以灵活调控光学色散、双折射、非线性系数等关键参数，进而能够在光纤层面实现对光场的“量身定制”，从而有望：（1）支撑超快、低能耗的全光信号处理，替代传统电子信号调制；（2）推动高速、大容量的光通信与互联网基础设施升级；（3）为量子信息与安全通信提供高稳定性的光子学解决方案。 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或 点此查看原文 ）： Vertically Stacked Boron Nitride/Graphene Heterostructure for Tunable Antiresonant Hollow-Core Fiber Yi Cheng*, Xu Cheng, Jin Xie, Guang Cui, Shuting Cheng, Xiao Li, Jiajie Gan, Han Dong, Yuyao Yang, Wentao Yu, Ke Chen, Hao Hong, Xu Zhou, Meng Pang, Xin Jiang, Zhipei Sun*, Kaihui Liu*, Zhongfan Liu* J. Am. Chem. Soc. 2025 , 147 , 33735–33742, DOI: 10.1021/jacs.5c09658 导师介绍 刘忠范 https://www.x-mol.com/university/faculty/8703 刘开辉 https://www.x-mol.com/university/faculty/219263
