基于石墨烯的寬帶全光空間調制器?

莫軍 馮國英 楊莫愁 廖宇 周昊 周壽桓2)

1)(四川大學電子信息學院,激光微納工程研究所,成都 610064)2)(華北光電技術研究所,北京 100015)(2018年2月7日收到;2018年7月4日收到修改稿)

提出了單層石墨烯包裹微納光纖的全光空間調制.石墨烯作為可飽和吸收體包裹在通過二氧化碳激光器加熱制備的微納光纖上,當信號光沿著微納光纖傳輸時部分光將以倏逝場的形式沿著微納光纖表面傳遞,并與石墨烯產生作用被吸收.同時將波長為808 nm的抽運光從空間垂直入射到石墨烯包裹的微納光纖處,依據石墨烯的優先吸收特性,通過抽運光控制石墨烯對信號光的吸收,實現了寬帶全光空間調制.在1095 nm波長處獲得最大調制深度約為6 dB,調制帶寬約為50 nm,調制速率約為1.5 kHz.空間全光調制器具有輸出信號光“干凈”的特點.與傳統石墨烯微納光纖全光調制器相比,輸出端不需要對抽運光進行光學濾波而直接獲得已調信號.該復合波導全光空間調制器以更為靈活、高效的方式打開了微納超快信號處理的大門.

1 引 言

石墨烯作為一種新穎的二維材料,具有奇特的光電特性[1?3],被稱為“超級材料”,獲得了廣泛的關注和應用,已經在生物醫學[4]、機械[5]和鎖模激光器[6]等方面有了報道.由于石墨烯具有零帶隙線性能帶結構[7],因而具有超寬的工作頻帶(300—6000 nm),并在寬帶超連續譜全光光纖內調制器[8]和超帶寬吸波器[9]上得到了實現.石墨烯電子具有線性的能量-動量關系,與二維狄拉克費米子的電子輸運特性類似[10].石墨烯的光生載流子產生-復合的時間只有幾個皮秒(τ=1.67 ps),具有超快的弛豫過程[11,12],為實現超快全光調制器提供了可能.單層石墨烯對可見光以及近紅外波段光垂直的吸收率僅為2.3%[13],為了在低功率下實現調制,把石墨烯與半導體工藝結合,在低功率下實現了1 dB的調制深度[14].但是由于硅或鍺中載流子參與調制過程,因而調制速率受到了限制.已經報道的全光調制器獲得了28 dB的調制深度[15],測得了超快的時間響應(2.2 ps)[16],理論上可達500 GHz的調制速率,遠遠高于石墨烯的電光調制[17,18]速率(1.2 GHz).

本文創新地提出了單層石墨烯包裹微納光纖全光空間調制(all-optical space modulation,AOSM),與現有的石墨烯包裹微納光纖(grapheneclad microfiber,GCM)不同,抽運光與信號光不在同一傳輸通路上,低功率信號光通過標準單模通信光纖的一端輸入,通過復合波導時被石墨烯吸收并從另一端輸出.具有高功率的抽運光從空間垂直入射到復合波導處,形成開關信號控制石墨烯對信號光的吸收,實現AOSM.調制過程中抽運光與信號光通過不同的光路,在單模光纖的另一端獲得了“干凈”的調制信號,因而不需要在輸出端進行光學濾波,使得該AOSM器更為經濟、靈活.

2 相關理論與器件制備

根據麥克斯韋方程組可以嚴格求解在微納光纖中的電磁矢量.由于光纖的柱對稱性,柱坐標系下的電磁場分量Er,Eφ,Ez和Hr,Hφ,Hz存在以下關系:

其中ω=2π/T,T為電磁場周期;μ0為介質的真空磁導率;ε為電容率;β為縱向傳播常數.可以先求出電磁場的縱向分量(Ez,Hz),再運用(1)式得其他四個橫向分量.縱向分量的亥姆霍茲方程為

其中k0=2π/λ為真空中的波數,λ為波長.在纖芯與包層中,n是不同的,將n1和n2分別代替(2)式中的n,就可以得到纖芯與包層的對應方程,當方程組(2)滿足光纖的邊界條件時,可得到Ez和Hz的場方程.應用分離變量法,方程組(2)的解為

其中Z(z)=exp(?jβz)為傳播因子.由于圓柱的對稱性,關于φ的解應具有沿圓周方向駐波狀態的變化形式:

R(r)在纖芯和空氣包層中滿足著名的Bessel方程:

其中n1和n2分別為纖芯和包層的折射率,l為φ方向上電場變化的周期數.

方程組(5)有兩個特解:

根據關系式(1),(3),(4),(6)可以得出纖芯和包層中的6個電磁分量表達式,再根據光纖邊界上的連續條件,可以得到關系式:

式中A和B分別為電場和磁場縱向分量的常系數.將(7)式進一步運算得到特征方程:

由于U和W滿足關系式W2=V2?W2,因此,(8)式是關于U或W單變量的超越方程.圖1給出了在直徑為7μm的微納光纖中,3個不同波長的基模功率歸一化場強分布以及光斑圖.從圖1可以看出,在微納光纖中心位置,長波光斑強度要小于短波.隨著離微納光纖中心越來越遠,由圖1內插圖可知,長波長在邊界處的倏逝場強于短波,且光斑強度強于短波.因此長波能量更容易泄漏到微納光纖外.

本文中微納光纖采用二氧化碳激光器加熱法制備而成,微納光纖的直徑約為7μm,長度約為1 cm.將聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)旋涂在銅基石墨烯膜(Graphene Supermarket,13C graphene on Cu foil)上,通過石墨烯濕法轉移,將石墨烯/PMMA薄膜覆蓋到微納光纖上.自然晾干1 h后將樣品PMMA/石墨烯/微納光纖在80?C的環境中烘烤30 min以上.用丙酮溶解掉PMMA后,清潔樣品,得到所需要的GCM復合波導結構.在光學顯微鏡下,觀測到覆蓋的石墨烯/PMMA長度約為800μm(圖2(b)內插圖).

采用波長范圍為1047—1096 nm的放大自發輻射寬譜光源(amplified spontaneous emission,ASE)作為輸入,通過光譜分析儀(Yokogawa,AQ6370D)獲得ASE光源經純微納光纖、GCM的整個輸出光譜(圖2(a)).從圖2(a)可以看出,在覆蓋石墨烯前后,輸出光譜的能量發生了明顯變化,這是由于石墨烯對倏逝波的強吸收造成的.圖2(b)給出了覆蓋石墨烯前后透過率的變化,可以看出純微納光纖的通光率約為90%,通過GCM后通光率變約為15%,同時會發現純微納光纖的通光率呈振蕩狀,是由于傳導光纖內的基模與高階模式相互干涉引起的[19?21].

圖1 微納光纖中基模模場分布(a)及光斑圖(b)Fig.1.Distribution of fundamental mode(a)and spot pattern(b)in microfiber.

圖2 石墨烯包裹微納光纖前后,ASE的輸出光譜和通光率對比圖 (a)ASE源、純微納光纖、GCM的輸出光譜;(b)純微納光纖和GCM的通光率(內插圖為PMMA/石墨烯膜包裹的微納光纖實物圖)Fig.2.Comparison of the output spectra and transmittance of the ASE before and after the graphene encapsulated microfiber:(a)Output spectra of ASE and ASE via pure microfiber and GCM;(b)transmittance of ASE via microfiber and GCM(the inset shows PMMA/graphene layer wrapped microfiber).

3 實驗結果和討論

實驗中波長為808 nm的傳統低功率激光二極管作為抽運光,寬譜ASE作為信號光實現AOSM,系統結構如圖3所示.ASE輸出功率限定為7.7 mW,808 nm的抽運光經光纖輸出后,通過透鏡聚焦垂直入射到GCM表面上.信號光通過GCM后,輸出光譜直接通過光譜分析儀(Yokogawa,AQ6370D)獲得.

圖4給出了GCM和AOSM結構示意對比圖.從圖4可以看出,當復合波導結構為GCM時,抽運光與信號光共同在復合波導內部傳播,其輸出端得到的信號包含信號光和抽運光;當復合波導結構改變為AOSM后,抽運光通過空間垂直作用于AOSM上,由于抽運光與信號光作用時光路分離,因此在輸出端得到的信號只包含信號光.于是,利用復合波導AOSM實現全光調制時,在輸出端不需要再對抽運光與信號光進行分離,有效地保證了信號光的完整性和系統的靈活性.同時在AOSM方式下,為了從實驗上觀察抽運光是否耦合進信號光傳輸的光路,在808 nm抽運光輸出功率為569 mW,信號光輸入功率為7.7 mW的條件下,通過光譜儀在輸出端測得輸出光譜(圖4).實驗結果表明,輸出端沒有808 nm的抽運光,只有信號光ASE在光纖中傳輸.

圖3 基于GCM寬帶AOSM器結構圖Fig.3.Structure diagram of broadband AOSM based on GCM.

改變808 nm抽運光功率大小,觀察寬譜信號光經過GCM后的輸出光譜(圖5(a)).GCM處的垂直入射光斑直徑約為100μm,隨著抽運光能量的增加,信號光輸出能量也逐漸增加,且輸出波形保持不變,表明石墨烯與光波作用時與波長無關.當抽運光垂直照射到GCM復合波導時,石墨烯吸收光子,產生光生載流子由價帶躍遷到導帶,當抽運光的強度增加時,激發更多的光生載流子,導帶中載流子濃度增加,根據泡利不相溶原理,會引起石墨烯對信號光吸收的漂白[15].實驗中抽運光輸出功率為569 mW時,在1095 nm波長處可以獲得6.2 dB的調制深度.圖5(b)給出了4個不同波長,在不同抽運功率作用下的調制深度.從圖5(b)可以看出,調制深度與抽運功率呈線性關系,信號光波長越長調制深度越大,這可以用波長越長,倏逝場越強,與石墨烯作用越強來解釋.

圖4 GCM和AOSM結構示意圖與AOSM輸出光譜Fig.4.Schematic diagram of GCM and AOSM and output spectrum of AOSM.

圖5 寬帶AOSM測試 (a)寬譜信號光經GCM后輸出光譜隨抽運光功率的變化;(b)不同波長信號光調制深度與抽運功率的關系Fig.5.Broadband AOSM test:(a)Output spectra variations of broad-spectrum signal light passing through GCM with pump optical power;(b)relationship between signal light modulation depth and pump power at different wavelengths.

為了觀察時域上的調制現象,在抽運光路上安放斬波器,得到抽運脈沖(500 Hz,1.5 kHz).輸出端直接通過光電轉換器(Therlabs,PDA8A/M)連接到示波器(ROHDE&SCHWARE,RTO1024)上,得到的時域響應圖如圖6所示.基于石墨烯的空間抽運全光調制器,抽運光直接與石墨烯作用,不會受到石墨烯光學長度的影響,所以其調制速率僅受到石墨烯的載流子的弛豫時間影響,理論上可以達到500 GHz的調制速率.

圖7給出了當調制頻率為500 Hz,抽運光和信號光功率分別變化時信號光的時域波形.從圖7可以看出,輸出信號光同時受到ASE和抽運光輸出能量的影響,石墨烯具有優先吸收特性.

圖6 抽運光頻率為500 Hz(a),1.5 kHz(b)時的AOSMFig.6.AOSM at pump light frequencies of 500 Hz(a),1.5 kHz(b).

圖7 信號光時域變化 (a)信號光輸入功率固定在7.7 mW時,信號光輸出隨抽運光功率變化的輸出曲線;(b)抽運光垂直入射功率固定在197 mW時,信號光輸出隨信號光功率變化的輸出曲線Fig.7.Time domain variation of signal light:(a)Variation of signal light output with the pump light power when signal light input power is fixed at 7.7 mW;(b)variation of signal light output with signal light power when pump light vertical incident power is fixed in 197 mW.

4 結 論

利用二氧化碳激光器加熱制備得到微納光纖,在其表面包裹單層石墨烯得到GCM復合波導結構,實現了石墨烯對信號光的強吸收作用.抽運光通過空間垂直入射到復合波導形成開關信號,控制石墨烯對信號光的吸收,實現了寬譜信號(1047—1096 nm)的AOSM,在1095 nm波長處獲得最大調制深度約為6 dB,調制速率約為1.5 kHz.采用空間調制方式,避免了抽運光與信號光光路的重疊,輸出端可得到純凈的調制光.同時由于抽運光是從空間垂直入射,不用考慮覆蓋石墨烯長度對調制的影響,調制時間只與石墨烯的弛豫時間有關.AOSM方式的提出和實現,將微納光纖全光調制與高速全光纖信號處理系統更緊密地結合在一起.