The year 2019 marks the 10th anniversary of the first report of ultrafast fiber laser mode-locked by graphene. This result has had an important impact on ultrafast laser optics and continues to offer new horizons. Herein, we mainly review the linear and nonlinear photonic properties of two-dimensional (2D) materials, as well as their nonlinear applications in efficient passive mode-locking devices and ultrafast fiber lasers. Initial works and significant progress in this field, as well as new insights and challenges of 2D materials for ultrafast fiber lasers, are reviewed and analyzed.

Recently lead halide nanocrystals (quantum dots) have been reported with potential for photovoltaic and optoelectronic applications due to their excellent luminescent properties. Herein excitonic photoluminescence (PL) excited by two-photon absorption in perovskite CsPbBr3 quantum dots (QDs) have been studied across a broad temperature range from 80K to 380K. Two-photon absorption has been investigated with absorption coefficient up to 0.085 cm/GW at room temperature. Moreover, the photoluminescence excited by two-photon absorption shows a linear blue-shift (0.25meV/K) below temperature of ~220K and turned steady with fluctuation below 1nm (4.4meV) for higher temperature up to 380K. These phenomena are distinctly different from general red-shift of semiconductor and can be explained by the competition between lattice expansion and electron-phonon couplling.Our results reveal the strong nonlinear absorption and temperature-independent chromaticity in a large temperature range from 220K to 380K in the CsPbX3 QDs, which will offer new opportunities in nonlinear photonics, light-harvesting and light-emitting devices.

Abstract Terahertz modulators play a critical role in high-speed wireless communication, non-destructive imaging, and so on, which have attracted a large amount of research interest. Nevertheless, all-optical terahertz modulation, an ultrafast dynamical control approach, remains to be limited in terms of encoding and multifunction. Here we experimentally demonstrated an optical-programmed terahertz switching realized by combining optical metasurfaces with the terahertz metasurface, resulting in 2-bit dual-channel terahertz encoding. The terahertz metasurface, made up of semiconductor islands and artificial microstructures, enables effective all-optical programming by providing multiple frequency channels with ultrafast modulation at the nanosecond level. Meanwhile, optical metasurfaces covered in terahertz metasurface alter the spatial light field distribution to obtain color code. According to the time-domain coupled mode theory analysis, the energy dissipation modes in terahertz metasurface can be independently controlled by color excitation, which explains the principle of 2-bit encoding well. This work establishes a platform for all-optical programmed terahertz metadevices and may further advance the application of composite metasurface in terahertz manipulation.

Optical image encryption has long been an important concept in the fields of photonic network processing and communication. Here, we propose a convolution-like operation-based optical image encryption algorithm exploiting a silicon photonic multiplexing architecture to achieve content security. Particularly, the encryption process is completed in a 3 × 3 cross-shaped photonic micro-ring resonator (MRR) array on chip. For the first time, to the best of our knowledge, this algorithm encodes information in an integrated intensity modulation, effectively reducing the encoding difficulty. Moreover, the high reliability and scalability of optical encryption are ensured using both linear and nonlinear operations on photonic chips according to characteristics of MRRs. As the encryption and decryption experiments show, the image restoration accuracy of our optical encryption algorithm exceeds 99% under real system noise at the pixel level, indicating its noise-robust property. Meanwhile, the peak signal-to-noise ratios of the restored and encrypted images are >60 and <15 dB, respectively, revealing both the high accuracy of the restored image and the small correlation between the encrypted and original images. This work adds to the rapidly expanding field of optical image encryption on photonic chips.

Going beyond the conventional theory, non-Abelian band topology reveals the global quantum geometry of multiple Bloch bands and unveils a new paradigm for topological physics. However, to date, experimental studies on non-Abelian topological states beyond one dimension are still restricted to systems with time-reversal ( $${{\mathcal{T}}}$$ ) symmetry. Here, exploiting a designer gyromagnetic photonic crystal, we find rich $${{\mathcal{T}}}$$ -broken non-Abelian topological phases and their transitions with an unexpected connection to multigap antichiral edge states. By in-situ tuning the magnetic field in the gyromagnetic photonic crystal, we can create, braid, merge, and split the non-Abelian topological nodes in a unique way. Alongside this process, the multigap antichiral edge states can be tuned versatilely, giving rise to topological edge waveguiding with frequency-dependent directionality. These findings open a new avenue for non-Abelian topological physics and topological photonics. Non-Abelian band topology reveals the global quantum geometry of multiple Bloch bands and unveils a new paradigm for topological physics. Here, authors find rich T-broken non-Abelian topological phases and their transitions with an unexpected connection to multigap antichiral edge states.