非线性光学技术极大地推动了光子学产业和集成光子器件的发展，引发了新一轮创新浪潮。先进非线性材料、下一代激光器和光源以及新型波导结构等关键领域的研究，正助力构建带宽更宽、效率更高、制造工艺更灵活的集成光子系统。在此背景下，石墨烯和二硫化钼等二维材料凭借其优异的光学性能和良好的电化学特性，作为极具潜力的非线性光学材料而备受关注。

石墨烯和二硫化钼的光学非线性

为什么二维材料比传统材料更受欢迎

自2004年石墨烯被发现以来，二维（2D）材料因其在光学器件和集成非线性光子系统中的应用而备受关注。与传统的块体材料相比，二维材料具有几个关键优势。它们在从紫外和太赫兹频率到微波频率的宽光谱范围内都表现出强烈的光学响应，使其在各种应用中具有极高的通用性。

它们的显著特征之一是具有很高的表面暴露原子比例，这使得对其光电特性进行精确调控成为可能。其原子级薄的结构也使其成为与其他材料无缝集成的理想选择，从而能够开发出紧凑型、高性能的光子器件。

石墨烯和二硫化钼在光子器件中的独特特性

微米级和纳米级光学结构（例如等离子体结构、光子晶体和超材料）的集成进一步增强了二维材料的光电性能。这些工程化结构显著改善了光与物质的相互作用，使二维材料在光学响应方面比传统材料具有明显的优势。

当非线性光学（NLO）二维材料与这些先进结构相结合时，其功能性能将得到显著提升。这种协同作用对于包括光电探测、光调制、表面增强拉曼散射（SERS）和光催化在内的各种光子学和非线性光学应用尤为重要。

由于吸收组分的存在，二维非线性光学材料被认为是极具应用前景的、具有极高吸收率的材料。碳原子的单层排列赋予石墨烯优异的性能，使其适用于超宽带和超快光学应用，例如调制器和光电探测器的制造。

二维材料中的非线性效应

二维材料中的三次谐波产生（THG）

近期研究揭示了石墨烯中由带间电子跃迁引起的非线性光学效应。尽管石墨烯仅为单层厚度，但一些与石墨烯类似的二维材料却表现出强烈的非线性光学响应。对称性允许的三阶非线性光学效应在石墨烯中占据主导地位，使其成为吸收和光限幅应用的理想选择。三次谐波产生（THG）的面内各向同性和相干性使得无需晶体取向即可探测石墨烯的物理结构。石墨烯中的三次谐波产生使其可用作非线性光学显微镜探针，且所需光学聚焦极小。此外，它还使得石墨烯和其他二维材料能够应用于具有更高横向分辨率的光学仪器中，从而显著提高集成光子器件的效率。

二维材料中的饱和吸收现象

石墨烯和其他二维材料在各种实验研究中也表现出可饱和吸收特性。在石墨烯中，这种非微扰非线性光学过程可以在极低的光强下出现，这使得二维材料在产生超快光脉冲方面至关重要。石墨烯可饱和吸收体（GSA）具有诸多优势，例如宽带工作（覆盖可见光到红外波段）、更快的调制时间和更低的损耗，使其成为开发脉冲激光器的热门平台。除了这些优势之外，超高的非线性克尔光学非线性、材料各向异性和层依赖性特性也使二维材料在新型光子器件领域展现出巨大的应用潜力。

石墨烯与二硫化钼的比较

电子能带结构直接影响材料的电子特性，并改变使用该材料制成的器件的性能。电子带隙对于将材料分类为导体（零带隙）、半导体（中等带隙）或绝缘体（大带隙）至关重要。

在石墨烯中，电子的行为类似于狄拉克费米子，这意味着它们在布里渊区拐角附近的能量色散呈线性。这种线性色散形成所谓的狄拉克锥，这是石墨烯固有零带隙的特征——主要归因于自由离域电子的存在。

为了根据特定应用（尤其是需要带隙的应用）定制石墨烯的电子特性，研究人员探索了多种改性技术。其中一种被广泛研究的方法是应变工程，即施加单轴应变来改变材料的电子结构并诱导可调谐的带隙。

另一方面，MoS?中的电子是具有抛物线能级色散的普通费米子，这使得MoS?成为一种直接带隙大于1.8 eV的半导体。由于MoS?无需任何应变工程即可获得有限的带隙，因此它是晶体管应用的理想材料。这一特性使得MoS?在光电器件、晶体管以及能量收集元件的制造方面更具优势。

超快光开关和激光锁模

石墨烯和二硫化钼（MoS? ）是广泛用作可饱和吸收体的优选材料。锁模激光器在超高速通信、生物医学仪器和光谱学等领域至关重要。为此，专家们将单层石墨烯吸收体与商用掺铒光纤放大器（EDFA）集成，用作锁模光纤激光器中的可饱和吸收体，并验证了被动和主动锁模的可行性。

实验结果表明，集成在硅基芯片掺铒光纤放大器（220 nm）平台上的石墨烯可饱和吸收体能够实现主动和被动锁模两种工作模式。在被动锁模模式下，脉冲间隔为1.7 ps，重复频率为28 MHz。在主动模式下，则获得了具有基频重复频率的高次谐波。这证明石墨烯可以作为可饱和吸收体，用于现代光子学应用中的锁模光纤。

与石墨烯类似，基于MoS?的复合材料也被用作锁模光纤中的可饱和吸收体。利用基于MoS?和SiO?的吸收体，被动锁模掺铒光纤激光器在90mW的泵浦功率下产生了脉冲宽度为780fs的稳定脉冲。

当泵浦功率提高到 100 – 600mW 之间时，获得了另一个稳定的锁模运转，脉冲宽度约为 1.2ps，最大输出功率为 5.11mW。

这些结果证明，MoS?和石墨烯可用于锁模激光器，实现小于100 ps和亚100飞秒的脉冲持续时间。这些特性使得这些非线性光学二维材料在下一代智能光子学和光电子学应用中极具前景。

可调谐光子器件和光调制器

用于电光调制器的二维材料

二维材料的层状结构使其成为开发宽波长范围光调制器的理想材料。利用弗朗茨-凯尔迪什效应和泡利阻塞的伯斯坦-莫斯位移效应，可以利用二维材料制造电光调制器。

专家们利用二硫化钼（ MoS? ）单层开发了一种基于激子的电光调制器。MoS?的表面原子层能够与表面等离子体激元紧密重叠。MoS?被剥离在硅衬底上。通过金属沉积在MoS?上制备了金纳米圆盘。当电压V增加到8V时，法诺共振线的谷值增大。在685 nm附近，散射强度随着电压的增加而降低。该电光调制器的响应时间小于200毫秒，凸显了其高效的工作性能。

此外，石墨烯是一种非常合适的材料，尤其适用于电信频段的调制，并能实现从可见光到太赫兹波段的快速响应。研究人员已经开发出具有更高消光比的石墨烯基调制器。专家们将石墨烯转移到硅波导上，并以7nm氧化铝作为介质间隔层。在V值约为-4V时，调制深度约为0.1dB/μm。光谱图像显示了1200至1600nm波段的电调制传输。石墨烯基调制器的高载流子迁移率为其在高速通信领域的应用开辟了新的途径。

所有光调制器件对于下一代智能光子器件的开发都至关重要?；诠璧钠瞎饣チ?，特别是片上光调制器，之所以能够取得显著成功，主要归功于石墨烯、拓扑绝缘体（TI）、MXene、过渡金属二硫化物（TMD）和黑磷（BP）等二维材料。未来，开发包含高度可调二维材料的新型异质结构混合系统将彻底革新光调制领域。

主要挑战

尽管二维材料展现出优异的性能，但将其应用于光电子和集成光子学领域，开发实用、工业规模的器件，乃至先进的研究原型，仍然面临诸多关键挑战。其中一个主要障碍是生长具有高量子效率的大面积、高质量单层二维晶体。如何在制备过程中保持均匀性并最大限度减少缺陷，仍然是一项重大的技术难题。另一个重要的研究方向是在光子集成平台上直接生长二维纳米结构，这有望简化器件集成并提升器件性能。

可扩展性和成本效益也是主要考量因素。开发可靠且经济高效的制造方法对于将二维材料技术（例如非线性光调制器）从实验室转化为大规模工业应用至关重要。研究人员正积极致力于克服这些障碍，并朝着实际应用迈进。

未来展望

二维材料即将改变非线性光学的动力学。专家们预计它们将在开发用于智能光子片上器件的混合系统中发挥至关重要的作用。此外，二维材料的非线性效应正被广泛研究，用于开发自由空间光学神经形态计算系统，这使得像MoS?这样的二维材料对于开发具有人工智能能力（例如光学人工神经网络（ANN）和数字处理）的可编程计算机至关重要。

如果制造和规?；矫娴奶粽侥芄坏玫酵咨平饩觯窍咝怨庋Ф牧鲜谐〗焖僭龀?。工业界专家和学术研究团队对用于光电和光子器件的二维材料的兴趣，证明了这些低维材料对光学行业具有变革性的巨大潜力。

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