二氧化釩相變對太赫茲反諧振光纖諧振特性的影響及其應用*

閆忠寶 孫帥 張帥 張堯 史偉 盛泉史朝督 張鈞翔 張貴忠 姚建銓

(天津大學精密儀器與光電子工程學院, 光電信息技術教育部重點實驗室, 天津 300072)

利用有限元分析軟件COMSOL模擬包層管內壁涂敷有二氧化釩的太赫茲反諧振光纖, 研究二氧化釩的相變對反諧振光纖傳輸特性的影響.研究表明, 在太赫茲波段, 二氧化釩的相變會促使反諧振光纖的反諧振周期發生極大的改變, 在此過程中, 光纖包層管對入射光束的作用效果由反諧振狀態變為諧振狀態, 在不改變反諧振光纖結構的情況下, 僅通過控制二氧化釩的相變即可實現對反諧振光纖纖芯中太赫茲波的有效調控.二氧化釩相變對反諧振光纖的這種調控效果在太赫茲調控器件領域有很廣泛的應用前景, 基于涂敷二氧化釩的反諧振光纖, 本文提出一種太赫茲光開關及一種偏振調控器.其中, 在波長為120 μm處, 光開關處于不同狀態時對應的光纖損耗分別為0.5 dB/m與110 dB/m, 并且通過激勵光源誘導二氧化釩發生快速相變,有望實現快速光開關.在偏振調控器中, 可以對反諧振光纖纖芯中太赫茲波的偏振狀態以及偏振方向進行控制, 偏振狀態下光纖的雙折射系數大于1.4 × 10-4.

1 引 言

太赫茲(terahertz, THz)波是頻率為0.1-10 THz的電磁波, 波長范圍為30-3000 μm, THz波在電磁波譜中處于微波與紅外光之間, 具有良好的光子學和電子學特性.THz波對非極性材料具有較高的穿透性、較低的光子能量[1], 因此在醫療[2]、無損檢測[3]等領域有很重要的學術價值, 此外THz波還具有寬帶寬和大通信容量等特性[1],可廣泛應用于通信[4]、雷達探測[5]等領域.

近年來THz波技術發展迅速, 但目前THz波在應用中仍以自由空間光路為主, 自由空間中THz波不易長距離傳輸, 傳輸方向也難以控制, 并且自由空間中THz波的傳輸通常會受到灰塵和水蒸汽的影響[6].為了實現THz波的高效傳輸, 科研工作者提出了多種THz波導, 包括塑料光纖[7]、布拉格光纖[8]、光子晶體光纖[9]和反諧振光纖[6](antiresonant fiber, ARF)等.其中ARF利用反諧振效應將入射光束限制在光纖中心的空氣孔內進行傳輸, 以空氣為導光介質, 有很低的非線性效應以及很高的損傷閾值.ARF因其結構簡單、傳輸損耗低、損傷閾值高、色散低以及傳輸帶寬高而引起科研工作者的廣泛關注[10].

二氧化釩(vanadium, VO2)是一種具有相變性質的金屬氧化物, 最大特點是在環境溫度達到68 ℃時, 會由單斜結構的絕緣相轉變為四方結構的金屬相, 在這一過程中其電導率、介電常數等性質都會發生劇烈變化[11].除改變環境溫度外, 利用光場、電場等外部激勵也可以實現VO2的相變, 尤其是利用光調控可以使VO2的相變速度達到皮秒量級[12].VO2的相變條件低且可控性強, 因而有很廣泛的應用空間, 科研工作者將VO2集成至波導內制成多種波導調控器件, 如硅波導振幅調制器[13]、基于硅波導的偏振調控器[14]、光觸發納米級存儲器[15]以及等離子體調制器[16]等.此外, 在近紅外波段, VO2與ARF的結合也表現出一定的調制效果, 2020年, Huang等[17]將VO2涂敷于ARF內壁, 利用VO2的相變實現了1550 nm寬帶光調制器, 調制深度在60%以上.

VO2在THz波段同樣具有非常重要的應用價值, 早在2006年, Jepsen等[18]實驗發現, VO2發生相變時, 其對THz波的透過率會發生顯著的變化, 證明VO2可應用于諸如光開關、調制器、偏振器等THz器件中.此后, 利用VO2的相變特性, 研究者們實現了多種THz波調控器件, 如有源寬帶THz偏振控制器[19]、寬帶THz超材料吸收器[20]、太赫茲編碼超表面[21]、可控開環諧振器[22]等.

本文利用有限元分析法研究包層管內壁涂敷有VO2的反諧振光纖(VO2-coated ARF, VO2-ARF), 理論分析VO2相變對VO2-ARF傳輸特性的影響.研究VO2的電導率、薄膜厚度以及VO2-ARF包層管壁的厚度對VO2-ARF導光特性的影響.研究結果表明, VO2發生相變時, VO2-ARF的反諧振周期會發生顯著變化, ARF包層管對入射光束的作用效果由反諧振狀態變為諧振狀態, 在不改變ARF結構的情況下, 僅通過控制VO2的相變便可以實現對ARF內入射光的有效調控.基于這種原理, 本文提出了一種THz光開關以及一種偏振調控器, 并對其傳輸特性進行了研究.

2 VO2相變對VO2-ARF傳輸特性的影響

2.1 結構設計

利用有限元分析軟件COMSOL設計包層管內壁涂敷有VO2的ARF, 結構如圖1所示, 該光纖由一定厚度的介質外包層、均勻分布在外包層內壁的6個包層管以及涂敷在包層管內壁的VO2薄膜組成.光纖外包層壁厚T = 0.5 mm, 包層管直徑d = 1.3 mm, 壁厚t = 0.078 mm, 由反諧振條件計算得出, 其中λ為入射光波長,n1為光纖包層管及外包層的材料折射率, n0為空氣折射率, N為正整數，本文取N = 2.

圖1 VO2-ARF結構示意圖Fig.1.Cross-section diagram of VO2-ARF.

在VO2-ARF中，包層管內壁涂敷有VO2,VO2薄膜厚度t0為1 μm, 如圖1中藍色部分所示,為了平衡光纖損耗與光纖的尺寸, 光纖纖芯直徑Dcore控制為2 mm.此光纖用于2.5 THz波的傳輸與調控, ARF主體材料為環烯烴共聚物(cyclic olefin copolymers, COC), COC是一種具有良好熱塑性和高機械強度的聚合物材料, 并且其在THz波段有較低的吸收損耗[23].ARF利用反諧振效應將入射的THz波限制在中心空氣孔內進行傳輸, 此時模場不依賴材料傳輸, 材料損耗遠小于限制損耗(confinement loss, CL), 光纖的傳輸損耗以CL為主, ARF中的CL由以下公式進行計算[24]:

其中f為入射光頻率, c為真空中的光速, Ni為有效折射率的虛部.

VO2的介電常數等參數可通過Drude模型進行計算[20], 在模擬仿真過程中, 以VO2的電導率σ表示其所處狀態, VO2由絕緣相向金屬相的相變過程中, 電導率會從100 S/m增加至最高3 × 105S/m.

2.2 模擬結果

利用上述VO2-ARF結構, 研究VO2相變對VO2-ARF傳輸特性的影響.圖2(a)是VO2電導率不同時, VO2-ARF的損耗隨包層管壁厚度t的變化曲線.可以看出, 當VO2電導率由100 S/m變為3 × 105S/m, 即VO2發生相變時, VO2-ARF的反諧振周期發生分裂, 此時包層管對入射光束的作用效果由反諧振狀態變為諧振狀態, 光纖的損耗發生突變.例如, 在t = 78 μm處光纖的損耗由0.5 dB/m增加至100 dB/m以上, 在不改變光纖結構的條件下, 僅控制VO2發生相變, 便可以實現對VO2-ARF損耗的控制.為了研究這種變化出現的原因, 對比了t = 78 μm時, 不同電導率下光纖的電磁損耗情況, 圖2(b)為光纖電磁損耗分布圖,可見, 光纖的電磁損耗主要集中在包層管壁處, 當VO2電導率由100 S/m變為3 × 105S/m時,包層管壁處的電磁損耗會有3個數量級以上的增加, 由此可知金屬相的VO2會產生很高的電磁損耗.

圖2 (a) VO2電導率σ不同時, 光纖的損耗隨包層管壁厚t的變化; (b) VO2-ARF電磁損耗分布Fig.2.(a) Confinement loss (CL) of VO2-ARF as a function of cladding tube wall thickness (t) under different conductivity of VO2(σ); (b) electromagnetic loss distribution of VO2-ARF.

進一步研究VO2的電導率與厚度對VO2-ARF反諧振周期的影響.VO2厚度t0= 1 μm時, 光纖的損耗隨VO2-ARF包層管壁厚度以及VO2電導率的變化如圖3(a)所示.可以看出, 隨著電導率的增加, 在t = 60 μm附近反諧振周期中開始出現額外的高損耗點, 并且該高損耗點隨著電導率的增加而右移, 損耗也隨之增加, 在這一過程中, 包層管對光束的作用效果由反諧振狀態變為諧振狀態.在VO2電導率增加的過程中, VO2會由最初的絕緣相向金屬相過渡, 當電導率大于6 × 104S/m后, VO2由金屬相占主導, 隨著電導率的繼續增加,高損耗點不再發生變化.

當VO2電導率設置為最大值3 × 105S/m時,光纖損耗隨VO2-ARF包層管壁厚度以及VO2厚度的變化如圖3(b)所示.此時VO2為金屬相, 由圖3(b)可見, 當VO2厚度較小時, VO2-ARF的反諧振周期并沒有受到VO2的影響, 較薄的VO2對VO2-ARF傳輸特性幾乎沒有影響, 其金屬相的性質并沒有表現出來.隨著VO2厚度的增加, 在t = 65-80 μm范圍內, 反諧振周期中開始出現高損耗點, 并且高損耗點隨著VO2厚度的增加出現右移, 損耗也隨之增加, 當VO2厚度大于160 nm后, 異常的高損耗點便不再受到VO2厚度的影響, 此時包層管對光束的作用效果為諧振狀態.可見, 在ARF包層管內壁涂敷一層厚度足夠的VO2,通過控制VO2的相變, 便可實現對ARF包層管反諧振狀態的調控, 利用該原理, 本文提出了一種基于VO2-ARF的THz光開關和一種偏振調控器.

圖3 (a) VO2-ARF的損耗隨包層管壁厚t以及VO2電導率σ的變化; (b) VO2-ARF損耗隨包層管壁厚t以及VO2厚度t0的變化Fig.3.Confinement loss (CL) of VO2-ARF as a function of cladding tube wall thickness (t) and the conductivity of VO2 (σ);(b) confinement loss (CL) of VO2-ARF as a function of cladding tube wall thickness (t) and the thickness of VO2 (t0).

3 基于VO2-ARF的THz器件

3.1 光開關

根據VO2相變調控VO2-ARF反諧振周期的原理, 本文提出了基于VO2-ARF的THz光開關.光開關的三維結構如圖4(a)所示, 外包層壁厚T= 0.5 mm, 6個包層管均勻分布在外包層內壁, 包層管內徑d = 1.3 mm, 壁厚t = 0.078 mm, 包層管內壁涂敷有VO2, 如圖4(a)中藍色部分所示,VO2厚度t0= 1 μm, 考慮到光纖的尺寸及損耗,控制纖芯直徑Dcore= 2 mm, 光開關長度為10 cm.利用光調控的方法, 可實現對VO2相變的高速調控, Liu等[12]利用800 nm的脈沖激光對VO2進行光激勵, 使其發生快速相變, 研究VO2的光學特性, 這一過程中800 nm脈沖激光會使VO2發生帶間躍遷, 改變其光學特性.根據上述研究, 本文采用波長為800 nm的脈沖激光器作為激勵光源, 脈沖寬度為納秒級, 激光能量密度不小于100 μJ/cm2,控制6個包層管處激勵光源分別入射至各包層管內, 使激勵光源能夠均勻輻照位于包層管內部的VO2, 控制其相變情況.激勵光源的通斷對光纖損耗的影響如圖4(b)所示, 激勵光源關閉時, VO2為絕緣相, 此時光纖的損耗隨波長的變化如圖4(b)中黑色曲線所示, 光纖內電場分布如圖4(c)所示,可見THz波被有效限制在纖芯中進行傳輸.激勵光源打開, 誘導VO2發生相變后, ARF的損耗在入射光波長接近120 μm時發生劇烈變化, 此時光纖中的電場分布如圖4(d)所示, 可見此時入射光與包層管壁發生強烈耦合, 致使光纖損耗急劇增加.對波長約為120 μm的入射光, 激勵光源打開與關閉狀態下的損耗分別為0.5 dB/m和110 dB/m,可見, 該光開關可實現對2.5 THz波有效的“開”與“關”的效果.

圖4 (a) 光開關結構示意圖; (b) 光開關處于“開”、“關”狀態時, 光纖損耗隨波長λ的變化曲線; (c) 光開關為開狀態和(d)關狀態時的電場分布圖Fig.4.(a) Cross-section diagram of optical switch; (b) when the optical switch is on and off, confinement loss (CL) of ARF as a function of incident light wavelength (λ); electric field distribution diagram when optical switch is (c) on and (d) off.

3.2 偏振調控器

基于VO2-ARF的研究, 本文提出了如圖5(a)所示的偏振調控器, 外包層壁厚T = 0.5 mm, 4個包層管均勻分布在外包層內壁, 分別命名為1, 2,3, 4, 包層管內徑d = 2 mm, 壁厚t = 0.078 mm,

包層管內壁涂敷有VO2, 如圖5(a)中藍色部分所示, VO2厚度t0= 1 μm, 控制纖芯直徑Dcore=2 mm, 光纖入射光為2.5 THz波.與光開關相同,偏振調控器同樣使用波長為800 nm脈沖激光誘導VO2發生相變, 從而達到調控效果.分別控制光纖4個包層管內部激勵光源的通斷以控制不同包層管內VO2的相變情況, 使光纖的不同偏振方向處于不同的諧振狀態, 因而光纖不同偏振方向的有效折射率及損耗會產生很大的差別, 入射的THz波會轉變為偏振光, 且偏振方向可控.

圖5 (a) 偏振調控器結構示意圖; (b) 光纖實現偏振光傳輸時, 光纖不同偏振方向的有效折射率隨激勵光源光通量的變化曲線;(c) 光纖實現偏振光傳輸時, 光纖不同偏振方向的損耗隨激勵光源光通量的變化曲線Fig.5.(a) Cross-section diagram of polarization controller; (b) effective refractive index (neff) and (c) confinement loss (CL) of ARF in orthogonal polarization directions as a function of excitation fluences of the excitation laser when ARF realizes the polarized transmission.

將包層管1, 2內激勵光源打開, 同時關閉3,4內激勵光源時, 此時x, y偏振方向光纖的有效折射率與損耗隨激勵光源光通量的變化如圖5(b)和圖5(c)所示, 在光通量較低時, VO2為絕緣相, 可見此時光纖不同偏振方向的有效折射率與損耗幾乎無差別.隨著包層管1, 2內激勵光源光通量的增加, 光纖的雙折射系數Δn (Δ n=|ny-nx|)逐漸增加, 當光通量大于700 μJ/cm2時, VO2徹底轉變為金屬相, 此時Δn達到最大, 為1.4 × 10-4.隨著光通量的增加, x偏振方向的損耗急劇增加,同時y偏振方向的損耗也有所增加, 但遠小于x偏振方向的損耗.可見, 控制包層管1, 2內激勵光源打開且光通量達到700 μJ/cm2以上, 包層管3, 4內激勵光源關閉, 偏振調控器可使入射的THz波變為y方向偏振光, 雙折射系數Δn可達到1.4 ×10-4; 同理, 包層管1, 2內激勵光源關閉, 3, 4內激勵光源打開時, 可以實現x偏振方向的偏振光傳輸.

4 總 結

本文利用有限元分析法理論研究VO2相變對VO2-ARF傳輸特性的影響.研究結果表明, 在2.5 THz波段, VO2的相變會促使VO2-ARF的反諧振周期發生突變, VO2相變前后, VO2-ARF包層管對入射光束的作用效果會由反諧振狀態變為諧振狀態, 從而使光纖的損耗急劇增加.此外, 研究發現VO2的電導率大小以及薄膜厚度對這一調控現象有很大的影響, 在ARF包層管內壁涂敷一層厚度足夠的VO2, 通過控制VO2的相變, 便可實現對ARF包層管反諧振狀態的調控.在此基礎上,提出基于VO2-ARF的THz光開關, 光開關處于“開”、“關”狀態時對應的光纖損耗分別為0.5 dB/m與110 dB/m; 此外, 本文提出基于VO2-ARF的THz偏振調控器, 分別控制偏振調控器不同包層管內激勵光源的通斷, 可以對VO2-ARF纖芯中入射光的偏振狀態以及偏振方向進行調控, 偏振狀態下光纖的雙折射系數Δn可達到1.4 × 10-4.