基于氣體填充空芯光纖的中紅外全光調(diào)制器

  在過(guò)去的十多年里，光子學(xué)在近紅外（NIR）和中紅外（MIR）波長(zhǎng)的功能器件方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，引起了眾多研究人員的興趣。其中，光調(diào)制器具有信號(hào)開(kāi)關(guān)、路由切換、數(shù)據(jù)編碼、相敏探測(cè)等功能，是光子鏈路和傳感領(lǐng)域的重要組成器件。MIR調(diào)制器具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值，比如物質(zhì)成分分析、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、化學(xué)和生物傳感、工業(yè)過(guò)程控制、多光譜熱成像和早期疾病的醫(yī)學(xué)診斷等。現(xiàn)有的中紅外光調(diào)制器主要采用波導(dǎo)集成方式，其工作機(jī)制通常分為以下幾種：熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)、自由載流子色散效應(yīng)、電吸收效應(yīng)以及聲光效應(yīng)等。對(duì)于自由空間光調(diào)制器而言，通常使用超材料、雜化結(jié)構(gòu)和模式結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用以獲得更高的調(diào)制效率。片上集成器件由于其靈活的波導(dǎo)幾何形狀和CMOS兼容性引起了廣泛的關(guān)注。因?yàn)榫w材料在中紅外波段的本征吸收特性，大部分基于絕緣體上硅或鈮酸鋰的波導(dǎo)集成調(diào)制器主要用于近紅外區(qū)域。盡管其具有尺寸小等優(yōu)勢(shì)，但目前報(bào)道的該類器件仍存在工作波段窄、調(diào)制消光比低等問(wèn)題。

圖1 全光調(diào)制器原理圖

  為了解決這一問(wèn)題，香港理工大學(xué)靳偉教授所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)近日成功開(kāi)發(fā)了一種基于空芯光纖中乙炔氣體光熱效應(yīng)的中紅外全光調(diào)制器，可實(shí)現(xiàn)從近紅外到中紅外波段超寬帶的相位和強(qiáng)度調(diào)制。該成果以“Mid-infrared all-optical modulators based on an acetylene-filled hollow-core fiber”為題發(fā)表在 Light: Advanced Manufacturing （DOI: 10.37188/lam.2022.050）。

圖2 基于氣體填充空芯光纖的全光調(diào)制器示意圖

  研究人員展示了空芯光纖全光調(diào)制器在中紅外波段的相位調(diào)制性能。他們利用乙炔（C2H2）填充的反諧振中空芯光纖（AR-HCF）中的光熱（PT）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)MIR相位調(diào)制的新方法。填充氣體的中芯光纖中的PT效應(yīng)已被利用于超靈敏的氣體檢測(cè)。

  HCF的泵浦和探針與氣體材料的長(zhǎng)距離相互作用和近乎完美的重疊顯著增強(qiáng)了光-氣相互作用，使得相位調(diào)制幅度更大，因此比自由空間光系統(tǒng)更好的氣敏性。研究人員進(jìn)一步將填充氣體的HCF中的PT效應(yīng)的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到全光MIR調(diào)制器。

  與波導(dǎo)型調(diào)制器和自由空間光調(diào)制器不同，PT MIR相位調(diào)制器是由近紅外通信波段的高性價(jià)比控制激光驅(qū)動(dòng)的。通過(guò)將相位調(diào)制器（PM）置于馬赫-曾德干涉儀（MZI）的一只臂上，進(jìn)一步演示了MIR強(qiáng)度調(diào)制（IM）。AR-HFF本質(zhì)上具有寬帶傳輸，加上氣體材料的窄吸收線，將空芯光纖擴(kuò)展到了中紅外調(diào)制器件領(lǐng)域，氣體填充的空芯光纖也被證明可作為有效的平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)更多更新的光子學(xué)功能。