基于氣體填充空芯光纖的中紅外全光調(diào)制器

  在過去的十多年里，光子學(xué)在近紅外（NIR）和中紅外（MIR）波長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)制器具有信號開關(guān)、路由切換、數(shù)據(jù)編碼、相敏探測等功能，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)用價值，比如物質(zhì)成分分析、環(huán)境污染監(jiān)測、化學(xué)和生物傳感、工業(yè)過程控制、多光譜熱成像和早期疾病的醫(yī)學(xué)診斷等?，F(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。因為晶體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，但目前報道的該類器件仍存在工作波段窄、調(diào)制消光比低等問題。

圖1 全光調(diào)制器原理圖

  為了解決這一問題，香港理工大學(xué)靳偉教授所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊近日成功開發(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。

  HCF的泵浦和探針與氣體材料的長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比控制激光驅(qū)動的。通過將相位調(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以實現(xiàn)更多更新的光子學(xué)功能。