基于二維材料的全光器件*

徐依全 王聰

(深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院, 深圳 518060)

近年通信技術(shù)的飛躍, 對光學(xué)設(shè)備的緊湊性、響應(yīng)速度、工作帶寬和控制效率提出新的挑戰(zhàn). 石墨烯的發(fā)現(xiàn), 使得二維材料飛速發(fā)展, 不斷涌現(xiàn)出一系列新材料, 如MXene、黑磷、過渡金屬硫化物等. 這些新型二維材料有著出色的非線性光學(xué)效應(yīng)、強(qiáng)光-物質(zhì)交互作用、超寬的工作帶寬. 利用其熱光效應(yīng)、非線性效應(yīng)并結(jié)合光學(xué)結(jié)構(gòu), 能夠滿足光通信中超快速的需求. 緊湊、超快、超寬將會是未來二維材料全光器件的標(biāo)簽. 本文重點(diǎn)綜述基于二維材料的熱光效應(yīng)與非線性效應(yīng)的全光器件, 介紹光纖型的馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)、邁克耳孫干涉儀結(jié)構(gòu)、偏振干涉結(jié)構(gòu)以及微環(huán)結(jié)構(gòu), 最后闡述并回顧最新的進(jìn)展, 分析全光器件面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇, 提出全光領(lǐng)域的前景與發(fā)展趨勢.

1 引 言

光學(xué)調(diào)制器件是光學(xué)系統(tǒng)中不可或缺的一個(gè)重要組成部分, 特別是在光通信行業(yè), 伴隨著近幾年通信速度呈指數(shù)上升, 對光調(diào)制器的緊湊性、調(diào)制速度、工作帶寬和控制效率的要求也迅速上升[1?6]. 基于電子技術(shù)的光調(diào)制器在各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出出色的性能, 大大推進(jìn)了光通信領(lǐng)域的發(fā)展, 并得到廣泛應(yīng)用, 技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟. 于此同時(shí), 它用于信號處理的“瓶頸”也逐漸浮現(xiàn)[4,7,8]. 這通常是受到了硅結(jié)構(gòu)RC (電阻-電容)時(shí)間常數(shù)的限制,在2014 年報(bào)道了通過有機(jī)分子與硅波導(dǎo)的結(jié)合,突破了這一限制, 工作頻率大于100 GHz[9], 但在高頻工作時(shí)仍受限于其他損耗. 由于硅材料不具有高階非線性[10], 并且考慮到與CMOS 技術(shù)兼容的必要性, 較新的光電調(diào)制器更多地考慮利用自由載流子色散效應(yīng)(即等離子體效應(yīng)). 數(shù)十年來, 鈮酸鋰光電調(diào)制器都是主流產(chǎn)品, 然而, 基于此原理的調(diào)制器體積龐大、價(jià)格高昂[11]. 目前最新一代的鈮酸鋰光電調(diào)制器利用馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)原理并成功集成鈮酸鋰材料, 最大能達(dá)到100 GHz的工作帶寬[12]. 雖然克服了電壓與損耗的沖突, 但仍難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能, 并且鈮酸鋰工藝匹配度不高, 集成難度較大, 成本較高. 電子技術(shù)已逐漸遭遇電子瓶頸、聲子瓶頸, 相應(yīng)的全光調(diào)制器在速度方面具有一定的優(yōu)勢, 但在高速調(diào)制的同時(shí), 調(diào)制深度與功耗一直未能與電光調(diào)制器相提并論, 這就限制了全光調(diào)制器的應(yīng)用. 伴隨著二維材料的出現(xiàn), 全光信號處理重新進(jìn)入人們的視野, 是未來研究的重要方向[5]. 全光信號處理相關(guān)的各種技術(shù)中,全光脈沖整形和全光調(diào)制被認(rèn)為是必不可少的部分. 這一技術(shù)的基本概念可以追溯到使用一束光來改變信號光的傳播狀態(tài)(強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等),這也是光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基石. 其中, 除以光控光為基礎(chǔ)外, 全光調(diào)制最重要的一點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)信息的加載、轉(zhuǎn)移, 這可以通過一系列全光控制器件實(shí)現(xiàn),例如全光開關(guān)、波長轉(zhuǎn)換器等. 通過利用二維材料中的非線性效應(yīng), 全光調(diào)制器擁有巨大的潛力, 理論上調(diào)制速度能達(dá)到50 THz 以上的響應(yīng)速度[13].最新的基于等離子體激元波導(dǎo)的全光調(diào)制則達(dá)到了3.8 THz 的調(diào)制速度[14]. 這一成果在實(shí)現(xiàn)超小型節(jié)能全光調(diào)制器件上取得了突破, 給予全光領(lǐng)域克服高能耗、低調(diào)制深度的信心. 到目前為止, 已經(jīng)報(bào)道了光纖型[15]、波導(dǎo)型[15]以及空間型[16,17]全光器件, 本文將著重介紹其中的光纖型全光調(diào)制器件以及全光閾值器.

二維材料優(yōu)秀的非線性效應(yīng)與強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用很好地彌補(bǔ)了硅基半導(dǎo)體材料的不足, 并且制備難度不高, 緊湊的特性使其一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就成為光學(xué)研究的一大熱點(diǎn), 推動(dòng)了各個(gè)學(xué)科的發(fā)展. 自從2004 年曼切斯特大學(xué)的一個(gè)小組通過機(jī)械剝離法分離出單層原子的石墨[18], 二維材料得到了廣泛的關(guān)注, 這一工作使得Nocoselov 和Geim 獲得了2010 年的諾貝爾獎(jiǎng). 二維材料的主要特點(diǎn)是材料僅有單層原子厚度, 使電子僅可在一個(gè)納米尺度的二維平面自由運(yùn)動(dòng), 嚴(yán)格限制了材料載流子和熱量的擴(kuò)散方向[19,20]. 同時(shí), 二維材料具有優(yōu)異的量子霍爾效應(yīng)[21], 超高比表面積[22], 超高的室溫載流子遷移率[18], 較高的楊氏模量[23]、光學(xué)透明性[24]、導(dǎo)電性[18]和導(dǎo)熱性[25], 這些特點(diǎn)使得其表現(xiàn)出獨(dú)一無二的熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)效應(yīng), 并得到了廣泛的關(guān)注[26?29]. 在石墨稀被報(bào)道之后, 陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一批新的二維材料, 如六方氮化硼(h-BN)[30]、二維過渡金屬硫化物(TMDs)[31?33]、石墨相氮化碳(g-C3N4)[34,35]、層狀金屬氧化物[36,37]、層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)[37,38]、MXene 材料[39]等. 基于二維材料可飽和吸收效應(yīng)、熱光效應(yīng)和克爾效應(yīng)的全光調(diào)制也已經(jīng)取得了一定的成就[40,41], 而目前的光纖型全光器件主要基于材料的熱光效應(yīng)以及可飽和吸收. 最經(jīng)典的二維材料—石墨烯, 已廣泛應(yīng)用于許多光子和光電設(shè)備, 例如取代銦錫氧化物生產(chǎn)觸摸面板顯示器以及柔性屏[42]、產(chǎn)生超短脈沖[43?45]、集成到光子系統(tǒng)中[46,47]、 太赫茲設(shè)備[48]等, 其工作帶寬涵蓋了紫外線、可見光[49]、紅外線[50?55], 范圍非常廣泛. 并且二維材料已經(jīng)被證明可以兼容各種不同的全光結(jié)構(gòu), 例如基于光纖的系統(tǒng)[56?59]、基于硅的器件[50,60,61]和大范圍光電探測器[62].

本文首先回顧二維材料的特性以及制備方式,并介紹目前實(shí)現(xiàn)全光的兩類主要機(jī)制: 熱光效應(yīng)和非線性效應(yīng). 同時(shí)對基于這兩類原理的全光器件的研究進(jìn)展分別進(jìn)行介紹, 并展望未來可能的應(yīng)用以及研究方向, 我們相信二維材料將會改變現(xiàn)有調(diào)制、整形方式, 大幅提升全光設(shè)備性能, 開啟全光領(lǐng)域的新紀(jì)元.

2 二維材料簡介

2.1 二維材料特性

石墨烯以 s p2雜化方式形成蜂窩結(jié)構(gòu), 是由碳原子構(gòu)成的厚度只有一個(gè)原子的單層二維材料(見圖1(a))[27], 其鍵能與金剛石相當(dāng). 并且每一個(gè)碳原子都只有3 個(gè)C—C 鍵相連接, 與金剛石的4 個(gè)鍵相比, 強(qiáng)度高了25%左右, 因此是迄今為止已知的最穩(wěn)定的材料. 作為一個(gè)半導(dǎo)體, 它具有很獨(dú)特的零帶隙結(jié)構(gòu)以及非線性光學(xué)效應(yīng)[27]. 單層的石墨烯在紅外到可見光波段對入射光具有2.3%的光吸收[24], 并且它利用電門控[63]、化學(xué)摻雜[64]、幾何修整[65]或機(jī)械拉伸[66]等方法可以打開半導(dǎo)體金屬的零帶隙, 由此可以在光調(diào)制器上得到良好的應(yīng)用.

TMDs 是屬于MX2型的半導(dǎo)體材料, 于2010年首次通過實(shí)驗(yàn)分離[67,68]. 其中,M為過渡金屬原子,X為硫?qū)僭卦? 結(jié)構(gòu)如圖1(b)[27]所示. 在體態(tài)下, TMD 為間接帶隙半導(dǎo)體, 具有明顯的帶隙, 但當(dāng)TMD 制成單層材料時(shí), 它們會由間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體, 其帶隙范圍在1—2.5 eV 之間, 如圖1(e)[27], 屬于近紅外到可見光波段. 最近幾項(xiàng)研究表明, TMD 不僅具有可控帶隙和高載流子遷移率, 并且表現(xiàn)出三階非線性光學(xué)效應(yīng), 如寬帶飽和吸收效應(yīng)、雙光子吸收和強(qiáng)非線性效應(yīng), 開拓了在全光調(diào)制方面的應(yīng)用.

黑磷(BP)在20 世紀(jì)10 年代首次合成[69], 并在近幾年成功制備單層黑磷[70], 為近期熱點(diǎn)的直接帶隙半導(dǎo)體材料. 它的單層材料被稱為磷烯, 基本結(jié)構(gòu)是每個(gè)磷原子和三個(gè)相鄰的磷原子由磷原子鍵結(jié)合而成的蜂窩結(jié)構(gòu), 與石墨烯結(jié)構(gòu)相同, 如圖1(c)所示[27]. 黑磷的皺褶結(jié)構(gòu)使它表現(xiàn)出各向異性的物理性質(zhì)[71?74], 這一性質(zhì)使其具有較強(qiáng)的光吸收和光致發(fā)光, 而且黑磷的帶隙可由層數(shù)與厚度控制(0.3—2.2 eV), 其帶隙如圖1(e)所示[27], 很好地作為石墨烯與TMDs 材料之間的帶隙補(bǔ)充.黑磷所具有的帶隙可控、高載流子遷移率、各向異性等特性, 在全光調(diào)制領(lǐng)域有著巨大潛力. 但因?yàn)楹诹讓ρ鯕夂退拿舾行? 導(dǎo)致其應(yīng)用存在一些困難. 最近有所突破, 人們研究了許多制備方法提高黑磷的穩(wěn)定性. 其中氟化磷已在全光開關(guān)和邏輯門上得到了應(yīng)用[75,76].

MXene 是一種與石墨烯類似的二維材料[77],由過渡金屬與碳、氮或碳—氮構(gòu)成主結(jié)構(gòu), 其結(jié)構(gòu)如圖1(d)所示[78]. 它的化學(xué)式是Mn+ 1XnTx(n=1, 2, 3), 其中M代表了過渡金屬,X代表了碳或者碳—氮,T代表官能團(tuán)—O, —OH 和—F. 例如Ti2CTx[79], Ti3C2Tx[80]和Ti4N3Tx[81]. 圖1(e)展示了MXene 的帶隙分布圖[77], MXene 的帶隙與石墨烯接近, 小于0.2 eV, 并且線性吸收系數(shù)為1%,非線性吸收效率為10–21m2·V–2[82]. 相較于其他二維材料, 它具有很強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)換效率, 加上較高的光損傷閾值, MXene 的使用更為靈活, 應(yīng)用前景廣闊[83].

圖1 (a)石墨烯[27], (b) TMDs[27], (c) BP[27]和(d) MXene[78]的原子結(jié)構(gòu)及帶隙結(jié)構(gòu); (e)各材料帶隙分布圖[27,78]Fig. 1. Atomic structures and band structures of (a) graphene[27], (b) TMDs[27], (c) BP[27]and (d) MXene[78]. (e) Distribution diagram of the bandgap of each material[27]. Reprinted by permission from Ref. [27]. Copyright Nature Photonics. Reprinted by permission from Ref. [78]. Copyright Advanced Materials.

表1 二維材料特性總結(jié)Table 1. Properties of different 2D materials.

表1 總結(jié)了石墨烯, TMDs, BP 和MXene 四種類型的二維材料基本特性[82,84?89]. 對于二維材料的熱光效應(yīng), 導(dǎo)熱系數(shù)是不可忽視的重要參數(shù)之一, 其中石墨烯具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱系數(shù), 但導(dǎo)熱系數(shù)受到材料的層數(shù)、制備方法等因素的影響較大.所以高導(dǎo)熱系數(shù)的二維材料雖更適合應(yīng)用于熱光效應(yīng), 但較低導(dǎo)熱系數(shù)的二維材料仍有優(yōu)化的空間. 最近, BP 材料展現(xiàn)出了優(yōu)良的導(dǎo)熱系數(shù), 基于BP 的光學(xué)器件上升時(shí)間優(yōu)于石墨烯器件[90], 并且也有報(bào)道證明其熱導(dǎo)率有望超越石墨烯[91]. 對于非線性效應(yīng), 從表1 可以看到, 二維材料均具有優(yōu)秀的飽和吸收強(qiáng)度. 但非線性可飽和吸收效應(yīng)的實(shí)際效果同樣受到各種因素的影響, 比如抽運(yùn)光功率就會很大程度地影響飽和吸收強(qiáng)度[82]. 對于其他非線性效應(yīng), 最重要的評價(jià)參數(shù)之一是三階非線性極化率χ(3). 它是一個(gè)復(fù)數(shù), 其虛部描述了非線性吸收、三次諧波和拉曼效應(yīng)等三頻現(xiàn)象, 實(shí)部則描述了克爾非線性效應(yīng). 在非線性效率這一方面,過渡金屬硫化物與碳氮化物更有優(yōu)勢, 它們展現(xiàn)出優(yōu)于石墨烯與磷烯的表現(xiàn). 另一方面, 石墨烯與黑磷均具有數(shù)百飛秒級的載流子弛豫時(shí)間, 這意味著在利用非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超快全光器件方面有巨大的潛力. 而非線性折射率實(shí)際上體現(xiàn)的是二維材料的線性吸收能力, 這一方面石墨烯與黑磷顯得較為弱勢.

2.2 二維材料的制備

當(dāng)前主要有三種二維材料制備方法: 化學(xué)氣相沉積法(CVD)、機(jī)械剝離法和液相分離法(LPE).自從2004 年用機(jī)械剝離法從石墨中剝離出石墨烯以來[18], 機(jī)械剝離法一直作為低成本的二維材料制作方法被廣泛使用. 這一方法不僅能制作石墨烯, 還能制作BP, TIs 等的二維材料[92?94]. 機(jī)械剝離法通常使用透明膠帶反復(fù)粘貼剝離離散材料表面得到少量的二維材料. 但因?yàn)槊看握迟N所制備的材料較少, 在需要一定量的二維材料時(shí), 這一方法要重復(fù)粘貼, 效率較低.

與機(jī)械剝離法較為相似的是LPE 法. LPE 法是將粉末狀的材料與溶劑混合, 通過長時(shí)間高強(qiáng)度的超聲產(chǎn)生氣泡將材料粉碎成單層或者幾層的納米片, 之后離心處理, 使得大尺寸的材料沉入溶劑底部, 小尺寸的納米材料懸浮在溶劑中, 達(dá)到分離納米材料與未破碎材料的目的[95,96]. 最后用移液管收集溶劑上層的納米材料. 這一方法收集的二維材料很難控制層數(shù)與尺寸大小, 但是產(chǎn)量高且成本低廉[97].

相較于機(jī)械剝離法和LPE 法, CVD 法是產(chǎn)生二維材料的重要方法. 通常, 此方法將氣態(tài)和粉末狀的反應(yīng)物放入管式爐中, 在合適的溫度下發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng), 并在管式爐下游的基板上生長二維材料[98]. 另外, CVD 法能通過修改反應(yīng)參數(shù)嚴(yán)格控制產(chǎn)出的二維材料的尺寸與層數(shù). 高產(chǎn)量與可控制使其成為大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)的主要方法[99].

3 基于二維材料熱光效應(yīng)的全光器件

目前基于二維材料熱光效應(yīng)的全光器件可分成諧振設(shè)計(jì)和非諧振設(shè)計(jì). 非諧振設(shè)計(jì)主要基于馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)[75,90,100?102]、邁克耳孫干涉儀(MI)[103?105]和偏振干涉儀(PI)[106]三種經(jīng)典原理. 對于諧振設(shè)計(jì)本文將討論微環(huán)[107].

3.1 MZI 結(jié)構(gòu)的全光調(diào)制器

此類全光調(diào)制器結(jié)構(gòu)與原理基本相同, 目前已報(bào)道基于石墨烯[101]、TMD[102]、黑磷[75]、MXene[100]以及硼[90]的調(diào)制器. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果將在本章最后討論,本節(jié)以MXene 實(shí)驗(yàn)為例.

如圖2(a)所示是MZI 全光調(diào)制器的典型結(jié)構(gòu)[100]. 系統(tǒng)由多個(gè)耦合器、波分復(fù)用器以及一個(gè)延時(shí)線構(gòu)成兩臂. MXene 材料沉積在上臂兩個(gè)980/1550 波分復(fù)用器(WDM1 和WDM2)之間的微納光纖上. 控制光由WDM1 注入, 經(jīng)過微納光纖之后通過WDM2 反饋. 其中, 微納光纖具有強(qiáng)倏逝場效應(yīng), 使MXene 材料與控制光充分接觸.而下臂中的延時(shí)線用于補(bǔ)償兩臂中的光程差以及光功率. 由于MXene 在980 nm 處表現(xiàn)出強(qiáng)吸收,注入的980 nm 控制光將被MXene 吸收并加熱材料. 這導(dǎo)致MXene 溫度發(fā)生改變, 使得MXene 與光纖的熱光效應(yīng)相結(jié)合, 進(jìn)而改變上臂中傳輸?shù)?550 nm 信號光的相位, 以此達(dá)到全光調(diào)制的目的. 最后MZI 結(jié)構(gòu)使上下兩路光在合路器中發(fā)生干涉, 將信號光的相位變化展現(xiàn)出來并輸出干涉譜.

在這一系統(tǒng)中, MXene 沉積的微納光纖是關(guān)鍵組件. 通過液相分離法合成MXene Ti3C2Tx之后, 將MXene 懸浮液滴到微納光纖側(cè)面, 再通過光沉積法制造MXene 微納光纖. 圖2(b)給出了MXene Ti3C2Tx納米片的高放大倍數(shù)的高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)原子晶格結(jié)構(gòu). 圖2(c)是沉積長度為500 μm 的微納光纖的光學(xué)顯微圖像. 圖2(d)為Ti3C2Tx和Ti3AlC2的拉曼光譜圖.

實(shí)驗(yàn)首先通過注入1550 nm 附近的放大自發(fā)輻射光源(ASE)表征系統(tǒng)的調(diào)制頻譜. 如圖2(a)所示, 兩個(gè)輸出(output1 和output2)分別可以用Pin[1?cos(k?L)]/2和Pin[1+cos(k?L)]/2 表 示, 其中Pin為輸入功率,k為傳播常數(shù), ?L為兩臂長度差. 不難看出, 系統(tǒng)兩個(gè)輸出是互補(bǔ)的. 如圖3(a)所示, 系統(tǒng)兩個(gè)輸出頻譜均為梳狀且互補(bǔ), 對兩臂微擾產(chǎn)生的相移可以實(shí)現(xiàn)很好的消光比. 當(dāng)使用980 nm 抽運(yùn)光作為控制光時(shí), MXene 將會吸收控制光產(chǎn)生熱量, 改變微納光纖的損耗從而使通過上臂的信號光產(chǎn)生相移. 這一相移等效于兩臂長度差的改變, 導(dǎo)致每一自由光譜范圍(FSR)變化對應(yīng)2π 的頻譜偏移. 圖3(b)中的紅色虛線表示4.5FSR的頻譜偏移, 對應(yīng)于9π 的相移. 控制光功率與相移之間的關(guān)系如圖3(c)所示, 其控制效率為0.074 π/mW.

圖2 (a)基于MXene 材料的MZI 全光調(diào)制器的實(shí)驗(yàn)裝置[100]; (b) MXene Ti3C2T x 納米片的高放大倍數(shù)HRTEM 原子晶格結(jié)構(gòu)[100];(c)沉積有MXenes 的微納光纖的光學(xué)顯微鏡圖像[100]; (d) Ti3C2T x 和Ti3AlC2 的拉曼光譜圖[100]Fig. 2. (a) Experimental setup of an MZI all-optical modulator based on MXene materials; (b) high-magnification HRTEM atomic lattice structure of MXene nanosheet; (c) optical microscopy image of microfibers deposited with MXenes; (d) Raman spectrum of Ti3C2T x and Ti3AlC2. Reprinted by permission from Ref. [100]. Copyright Advanced Materials.

圖3 (a)兩個(gè)輸出端口的干涉頻譜[100]; (b)在122 mW 的控制光(泵)功率下的干涉條紋[100]; (c)相移與不同控制光功率的關(guān)系[100]Fig. 3. (a) Interference spectra of two output ports; (b) interference fringes at a control light (pump) power of 122 mW; (c) phase shift versus different control light (pump) powers. Reprinted by permission from Ref. [100]. Copyright Advanced Materials.

若使用1550 nm 連續(xù)激光(CW)作為信號光,圖4(a)所示的980 nm 脈沖光作為控制光, 將會得到一個(gè)全光開關(guān)系統(tǒng). 圖4(b)給出了120 mW 控制光應(yīng)用于系統(tǒng)時(shí)的輸出波形, 可以看到兩個(gè)輸出端口是互補(bǔ)的. 通過使用指數(shù)擬合輸出的信號光波形可以估計(jì)上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為4.10 和3.55 ms. 上升下降時(shí)間不相等這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是因?yàn)閮蓵r(shí)間常數(shù)所依賴的的參數(shù)不同. 上升時(shí)間長短取決于MXene 材料吸收控制光改變溫度的能力, 受到空氣對流等環(huán)境因素影響. 而下降時(shí)間取決于被加熱的微納光纖的散熱速度.

圖4 (a) 980 nm 控制光波形圖[100]; (b)信號光開關(guān)轉(zhuǎn)換及其擬合曲線[100]; (c)錯(cuò)誤輸出[100]; (d)信號光為40 Hz 時(shí)的輸出[100]Fig. 4. (a) Waveform of the 980 nm control light (pump); (b) signal light switch conversion and its fitting curve; (c) output breaking; (d) waveforms of signal light at 40 Hz. Reprinted by permission from Ref. [100]. Copyright Advanced Materials.

對于輸出功率與相位的關(guān)系, 可以簡化出以下公式:

其中Pout表示輸出功率, ??為控制光引起的相移.不難看出, 當(dāng)相移從0 增加到π 時(shí), 輸出功率將從0 增加到最大值; 當(dāng)相移從π 增加到2π 時(shí), 輸出功率將與相移成反比. 因此輸出功率將在控制光的上升沿增大到最大值然后減小, 在控制光的下降沿增大到最大值然后減小到0, 最終起到光開關(guān)的效果.值得注意的是, 如圖4(c)所示, 當(dāng)控制光功率在120 mW, 但脈沖頻率提高時(shí), 輸出波形會受到熱傳導(dǎo)速度的限制而導(dǎo)致如圖4(d)所示的失真.

3.2 MI 結(jié)構(gòu)的全光調(diào)制器

MZI 結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)穩(wěn)定性較差, 對環(huán)境擾動(dòng)敏感, 這一缺陷在MI 結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中可以得到解決.如圖5(a)所示, Wang 等[104]提出了一種新的全光開關(guān)設(shè)計(jì). 與上文提到的MXene 材料沉積微納光纖類似, 此系統(tǒng)將通過LPE 法制備的鉍量子點(diǎn)沉積到微納光纖上得到鉍材料微納光纖. MI 結(jié)構(gòu)的全光開關(guān)通過波分復(fù)用器將信號光與控制光合路,再經(jīng)過耦合器分光. 緊接著控制光與鉍量子點(diǎn)的熱光效應(yīng)改變上臂的信號光相位, 之后經(jīng)調(diào)制的信號光從兩臂末端反射回耦合器中與未經(jīng)調(diào)制的信號光發(fā)生干涉并輸出. 末端的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(FRM1和FRM2)用于消除輸入輸出非正交引起的偏振干涉. 可變光衰減器(VOA)則用于調(diào)節(jié)兩臂功率以獲得穩(wěn)定的輸出信號.

圖5(b)所示的控制光輸入波形與信號光輸出波形的對比表明信號光已被調(diào)制. 利用指數(shù)擬合估計(jì)輸出信號光的上升下降時(shí)間分別為1.56 與1.53 ms, 相同條件下, 比MZI 結(jié)構(gòu)的全光開關(guān)更靈敏. 這個(gè)結(jié)果是因?yàn)镸I 系統(tǒng)中包含反射結(jié)構(gòu),控制光與信號光兩次通過鉍量子點(diǎn)微納光纖, 提升控制光熱光效應(yīng)的效果并使信號光產(chǎn)生更大的相移, 因此大大縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間.

從圖5(c)可以看出, 將980 nm 的控制光功率固定在60 mW 并從外部從50 Hz 調(diào)制為500 Hz時(shí), 輸出信號光的形狀從方波逐漸變到三角波, 峰峰值電壓與調(diào)整頻率成反比. 這兩個(gè)現(xiàn)象的出現(xiàn)歸因于鉍沉積微纖維中熱傳導(dǎo)的緩慢響應(yīng).

圖5 (a) MI 結(jié)構(gòu)的全光開關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置[104]; (b)控制光和信號光的波形及擬合曲線[104]; (c)控制光調(diào)制頻率改變時(shí)的信號光波形[104]Fig. 5. (a) All-optical switch experimental device with MI structure; (b) waveforms of control light and signal light and their fitting curves; (c) waveforms of signal light when control light modulation frequency changes. Reprinted by permission from Ref. [104].Copyright Journal of Materials Chemistry C.

圖6 (a) MI 雙芯光纖三維結(jié)構(gòu)示意圖[108]; (b)雙芯光纖橫截面[108]; (c), (d)雙芯光纖拋光區(qū)域的橫截面和拋光表面[108]; (e)雙芯光纖輸出光強(qiáng)度監(jiān)視[108]Fig. 6. (a) Schematic diagram of the three-dimensional structure of MI twin-core fiber; (b) cross section of twin-core fiber; (c) cross section and (d) polished surface of the polished area of twin-core fiber; (e) twin-core fiber output light intensity monitoring. Reprinted by permission from Ref. [108]. Copyright Optics Letters.

另外, 微納光纖本身較為脆弱, 機(jī)械強(qiáng)度低,作為二維材料載體增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性. 針對這一問題, Chu 等[108]提出一種基于側(cè)拋光雙芯光纖的MI 結(jié)構(gòu)石墨烯全光調(diào)制方案, 其結(jié)構(gòu)見圖6.此方案顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 并且將MI 系統(tǒng)核心微型化. 實(shí)驗(yàn)使用1550 nm 的信號光, 并使用經(jīng)機(jī)械斬波器調(diào)制的980 nm 抽運(yùn)光調(diào)制信號光.最終結(jié)果顯示出55.8 ms 的上升時(shí)間與15.5 ms 的下降時(shí)間. 其中較長的上升時(shí)間可以通過拋光更多包層達(dá)到擴(kuò)大石墨烯作用區(qū)域的效果來縮短.

3.3 PI 結(jié)構(gòu)的全光開關(guān)

PI 結(jié)構(gòu)的全光開關(guān)進(jìn)一步提高了熱光效應(yīng)全光開關(guān)的切換速率. 如圖7(a)所示, PI 結(jié)構(gòu)的全光開關(guān)采用LPE 法合成的二硫化鉬(MoS2)-聚乙烯醇(PVA)薄膜通過FC/APC 光纖連接器耦合[106]. 在這個(gè)系統(tǒng)中, 980 nm 控制光與1550 nm信號光分別經(jīng)偏振控制器(PC)調(diào)整獲得穩(wěn)定的輸出信號后通過WDM 合路, 在MoS2-PVA 薄膜中產(chǎn)生熱光效應(yīng)之后在第二個(gè)WDM 過濾控制光.由偏振器選擇信號光所需要的偏振態(tài)并輸出調(diào)制后的信號光. 其中MoS2-PVA 薄膜夾在兩個(gè)成角度的FC/APC 光纖連接器之間.

圖7 (a) PI 結(jié)構(gòu)全光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置[106]; (b)信號光波形, 插圖為控制光波形[106]; (c)單個(gè)全光信號切換以及相應(yīng)的擬合曲線[106];(d)長期測量的輸出信號光[106]Fig. 7. (a) PI structure all-optical modulation experimental device; (b) signal light waveform, illustration: control light waveform;(c) single all optical signal switching and corresponding fitting curve; (d) output signal light for long-term measurement. Reprinted by permission from Ref. [106]. Copyright Chinese Optics Letters.

圖7 (b)給出了系統(tǒng)的調(diào)制結(jié)果, 即輸入的控制光與輸出的信號光波形的對比圖. 圖7(c)則是通過指數(shù)擬合估計(jì)的系統(tǒng)的上升時(shí)間與下降時(shí)間,分別為324.5 和353.1 μs. 與MZI 結(jié)構(gòu)和MI 結(jié)構(gòu)相比, 上升下降時(shí)間明顯縮短. 這是因?yàn)橄噍^于沉積有二維材料的微納光纖, FC/APC 薄膜耦合方式有更快的熱分布, 于是有更快的切換速率. 另外,從圖7(d)所示的長期輸出脈沖序列可以觀察到系統(tǒng)輸出穩(wěn)定. 這是因?yàn)樵谕粭l光纖中傳播的是兩束互不干涉的光, 所以對于環(huán)境敏感性遠(yuǎn)低于MZI 結(jié)構(gòu)和MI 結(jié)構(gòu).

3.4 微環(huán)結(jié)構(gòu)的全光開關(guān)

本節(jié)將介紹基于石墨烯的微環(huán)結(jié)構(gòu)全光開關(guān)[107]. 這項(xiàng)工作充分利用了二維材料的緊湊性與靈活性, 縮小了設(shè)備體積, 并且有效提高石墨烯的熱傳導(dǎo)速率, 減少了響應(yīng)時(shí)間.

全光開關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖8(a)所示, 該裝置使用耦合器將控制光與信號光耦合, 通過微納光纖諧振器(MFR)后由另一個(gè)耦合器分路, 分別輸出控制光與經(jīng)調(diào)制的信號光. 其中, MFR 以利用火焰加熱二步拉伸法制備的微納光纖為基本結(jié)構(gòu), 一端連接標(biāo)準(zhǔn)光纖, 將其打結(jié)后, 使用錐形微納光纖連接另一端. 之后將CVD 法生長的石墨烯片干法轉(zhuǎn)移到微納光纖上, 得到石墨烯包裹的微納光纖諧振器(GMFR), 這一過程如圖8(b)所示. 最終成品注入紅光后散射的光學(xué)顯微鏡圖像如圖8(c)所示,其MFR 周長為1.35 mm, 直徑為5 μm, 由白色弓形線表示的石墨烯包裹區(qū)域的長度為0.18 mm. 實(shí)驗(yàn)采用工作帶寬為400 kHz 的窄帶可調(diào)激光器(TL)作為控制光.

圖8 (a)基于MFR 的全光開光實(shí)驗(yàn)裝置[107]; (b) GMFR 制備過程[107]; (c) GMFR 光學(xué)顯微鏡圖像[107]; (d)控制光開(黑色)和控制光關(guān)(藍(lán)色)的GMFR 透射光譜, 紅線表示FBG 過濾的反射峰[107]Fig. 8. (a) All-optical switch experimental device; (b) GMFR preparation process; (c) GMFR optical microscope image; (d) GMFR transmission spectrum of controlled light on (black) and controlled light off (blue), the red line represents the reflection peak of FBG filtering. Reprinted by permission from Ref. [107]. Copyright Applied Physics Letters.

當(dāng)控制光注入微環(huán)時(shí), 部分具有共振波長的控制光將在GMFR 中循環(huán), 大量光功率被石墨烯片吸收轉(zhuǎn)化為熱量. 由于熱光效應(yīng), 使得微納光纖的透射譜發(fā)生紅移. 經(jīng)過GMFR 的信號光透射率則會因此改變, 以實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的功能, 并使用光纖布拉格光柵(FBG, 中心波長: 1550 nm, 3 dB 帶寬:0.25 nm)過濾后使用光電探測器對信號光進(jìn)行分析.

為了進(jìn)一步了解GMFR 的運(yùn)作機(jī)制, 使用光譜分析儀監(jiān)測系統(tǒng)輸出, 以得到打開(關(guān)閉)控制光時(shí)的透射光譜, 如圖8(d)所示. 其中黑色為打開控制光時(shí)的透射譜, 藍(lán)色為關(guān)閉控制光時(shí)的透射譜, 紅色為經(jīng)FBG 過濾的系統(tǒng)輸出波形. 打開(關(guān)閉)控制光時(shí), 得到的系統(tǒng)輸出信號光功率為156 μW (7.28 μW), 即消光比為13 d B. 最后得到實(shí)驗(yàn)輸出的信號光與控制光波形對比見圖9, 信號光的上升時(shí)間為294.7 μs, 下降時(shí)間為212.2 μs.這個(gè)結(jié)果比其他熱光效應(yīng)器件(例如基于石墨烯的MI 結(jié)構(gòu)全光調(diào)制器)的毫秒級響應(yīng)時(shí)間快(微秒級), 這是由于小型化的石墨烯片快速散熱以及諧振結(jié)構(gòu)提高發(fā)熱效率, 克服了傳統(tǒng)熱光效應(yīng)所要求的長作用長度以及高抽運(yùn)功率的缺點(diǎn).

圖9 全光開關(guān)的信號光與控制光波形對比[107]Fig. 9. Comparison of signal light and control light waveforms of all-optical switches. Reprinted by permission from Ref. [107]. Copyright Applied Physics Letters.

本章的最后, 對表2 所列基于二維材料的熱光效應(yīng)的全光器件的最新進(jìn)展進(jìn)行對比[75,90,100?109].目前MZI 結(jié)構(gòu)的全光器件已對石墨烯、WS2、MXene、磷烯和硼進(jìn)行研究. 值得注意的是, 研究結(jié)果表明硼表現(xiàn)出較快的響應(yīng)時(shí)間和優(yōu)異的熱光效應(yīng)響應(yīng), 獲得了0.48 ms 的上升時(shí)間及0.69 ms的下降時(shí)間[90]. 在這四種二維材料中, 石墨烯表現(xiàn)出最高的控制效率, 每毫瓦抽運(yùn)功率能產(chǎn)生0.091π 的相移[101]. 對于MI 結(jié)構(gòu), 有銻、鉍、MXene和石墨烯四種二維材料的研究. 這一結(jié)構(gòu)中普遍的高消光比歸功于能使信號光與二維材料進(jìn)行兩次相互作用, 其中MXene 的消光比高達(dá)27 dB[105],而鉍材料則在響應(yīng)速度方面有較好的表現(xiàn)[104]. 另外, 側(cè)拋光的雙芯光纖與MI 結(jié)構(gòu)契合度很高, 取代微納光纖作為二維材料的載體將能有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及減小系統(tǒng)體積[108]. PI 結(jié)構(gòu)的全光器件表現(xiàn)出很快的響應(yīng)時(shí)間, 上升時(shí)間為324.5 μs,并且抗干擾能力強(qiáng), 但是消光比低[107]. 對于諧振結(jié)構(gòu), 由于易于制造、低成本、微納光纖易集成以及符合調(diào)制所需的自由光譜范圍, GMFR可能會擴(kuò)展全光設(shè)備(例如濾波器和慢光延遲線)的使用范圍.此外, 由于GMFR 的緊湊型封裝和對石墨烯熱光效應(yīng)的增強(qiáng)作用, 它可以作為一個(gè)高性能平臺應(yīng)用于光纖傳感器、非線性光學(xué)器件和超快調(diào)制器.

表2 基于二維材料熱光效應(yīng)的全光纖器件總結(jié)Table 2. Comparison of all-fiber devices based on two-dimensional material thermo-optic effect.

基于熱光效應(yīng)的全光調(diào)制器中的響應(yīng)時(shí)間差異可以大概地從兩個(gè)方面討論, 一是不同的二維材料, 二是不同的系統(tǒng). 根據(jù)表2 分成兩種, 即相同材料不同系統(tǒng)以及相同系統(tǒng)不同材料之間進(jìn)行比較. 顯然相對于不同材料, 不同系統(tǒng)之間的差異顯得更大. 而相同二維材料的熱光效應(yīng)效率相同, 熱導(dǎo)系數(shù)則不盡相同. 但二維材料的狀態(tài)不同, 熱導(dǎo)系數(shù)也會改變, 并且可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)定向優(yōu)化,換句話說, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對響應(yīng)時(shí)間的影響更為重要.在系統(tǒng)相同材料不同時(shí), 熱光效應(yīng)與熱導(dǎo)系數(shù)共同影響響應(yīng)時(shí)間. 控制光功率相同時(shí), 更強(qiáng)的熱光效應(yīng)將會在短時(shí)間產(chǎn)生更多的熱量. 最終響應(yīng)時(shí)間的極限則由導(dǎo)熱系數(shù)決定, 更高的導(dǎo)熱系數(shù)意味著更大的溫度變化, 更短的響應(yīng)時(shí)間. 熱光效應(yīng)與克爾非線性等其他效應(yīng)相比, 盡管由于熱傳導(dǎo)速率的限制, 響應(yīng)時(shí)間為微秒到毫秒, 但它們驅(qū)動(dòng)器件所需要的抽運(yùn)峰值功率更低. 當(dāng)需要長時(shí)間保持狀態(tài)時(shí), 將會減少能量消耗. 因此, 熱光全光器件是全光器件家族中必不可少的成員.

4 基于二維材料非線性效應(yīng)的全光器件

全光控制另一重要機(jī)制是非線性效應(yīng)中的可飽和吸收效應(yīng)和光學(xué)克爾效應(yīng). 可飽和吸收效應(yīng)是一個(gè)由價(jià)帶耗盡, 導(dǎo)帶填充和超快速帶內(nèi)載流子弛豫引起的過程[110], 由輸入功率相關(guān)的光吸收表現(xiàn)出來(即隨光強(qiáng)度的增加吸收減少). 光學(xué)克爾效應(yīng)是一種三階非線性光學(xué)效應(yīng), 其特征是在外加光場影響下, 介質(zhì)某個(gè)極化方向產(chǎn)生正比于光強(qiáng)的折射率變化, 包括自相位調(diào)制[111](例如Shao 等[112]利用碳納米管自相位調(diào)制, 實(shí)現(xiàn)了時(shí)間常數(shù)55 μs,響應(yīng)帶寬7 kHz 的全光調(diào)制)、自聚焦[113]和調(diào)制不穩(wěn)定性[114]. 本章將從三個(gè)方面進(jìn)行介紹: 一是基于二維材料可飽和吸收效應(yīng)用于抑制噪聲的全光閾值器件; 二是基于克爾效應(yīng)的全光調(diào)制器; 三是四波混頻的應(yīng)用.

4.1 基于可飽和吸收效應(yīng)的全光閾值器

全光閾值器主要用于改善信號光質(zhì)量, 提高信噪比. 從理論上講, 基于可飽和吸收效應(yīng)的全光閾值器是利用二維材料的可飽和吸收效應(yīng)、低線性吸收和寬吸收帶寬, 吸收相對低強(qiáng)度的噪聲光, 而高強(qiáng)度的光將直接通過, 因此能過濾低功率的噪聲,信號光以較低的功率損失通過. 近年來對二維材料的研究表明, 二維材料具有很強(qiáng)的光-物質(zhì)交互能力和非線性效應(yīng). 制作穩(wěn)定性好、效率高的全光閾值器則需要利用二維材料的非線性效應(yīng)[76,115,116].目前已報(bào)道的幾種全光閾值器的設(shè)計(jì), 例如, 鈮酸鋰的二次諧波效應(yīng)(SHG)的全光閾值器[117]、基于黑磷的分布式反饋半導(dǎo)體激光器中的交叉增益調(diào)制效應(yīng)的光學(xué)閾值器[116]等, 都有穩(wěn)定性差的缺陷. 本節(jié)將介紹基于銻-微納光纖結(jié)構(gòu)的全光閾值器.

為研究銻的光-物質(zhì)相互作用, Song 等[76]利用LPE 法合成少層銻材料并沉積在微納光纖上,再通過飛秒脈沖激光測量與表征銻的可飽和吸收非線性特性. 具體的做法是放大激光光源后, 在光源光路上使用可變光衰減器連續(xù)地調(diào)整入射光的功率. 測量光路則由耦合器分為兩個(gè)光路, 一路耦合銻沉積的微納光纖并連接光功率計(jì), 另一路則作為參考光連接與另一路相同的光功率計(jì). 飛秒脈沖測量的結(jié)果證明少層銻沉積的微納光纖是有效的可飽和吸收體, 可用于超脈沖的全光閾值器.

圖10(a)所示為全光閾值器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,脈沖光源由鎖模光纖激光器提供, 而1 GHz 射頻調(diào)制的低功率光作為噪聲源[76], 他們的波形分別為圖10(b)和圖10(c). 混合噪聲與脈沖光后, 脈沖波形如圖10(d)所示. 使用耦合器將混合光分成兩個(gè)光路, 一條路徑耦合銻沉積的微納光纖, 一條路徑直接連接光功率計(jì)監(jiān)控輸入光功率. 當(dāng)混合光注入系統(tǒng)時(shí), 由于脈沖光的透射率比噪聲高, 噪聲的衰減更強(qiáng), 所以通過系統(tǒng)之后, 噪聲將被吸收, 脈沖光的信噪比得到提高. 如圖11(a)和圖11(b)所示為穿過銻沉積微納光纖之前與之后的光脈沖[76].可以看出, 通過銻沉積微納光纖之后的光脈沖信噪比有明顯的提高. 而用無沉積的微納光纖接入系統(tǒng)中重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí), 沒有改善光脈沖信噪比的現(xiàn)象.

為進(jìn)一步研究不同輸入光功率下的可飽和吸收, Song 等[76]采用摻鉺光纖放大器和可變光衰減器組合調(diào)整輸入光功率. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 隨著輸入光功率逐漸增加到10 mW, 信噪比增強(qiáng)保持不變,為12 dB 左右. 銻樣品在輸入光功率為10 mW 時(shí)將達(dá)到飽和, 并且最高信噪比增強(qiáng)為12 dB. 最后,實(shí)驗(yàn)通過每8 h 測量一次輸出波形驗(yàn)證了該系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性.

圖11 (a)光脈沖穿過銻材料微納光纖之前的波形[76]; (b)光脈沖穿過銻材料微納光纖之后的波形[76]Fig. 11. (a) Waveform of light pulse before passing through antimony micro-nano fiber; (b) waveform of light pulse after passing through micro-nano fiber of antimony material. Reprinted by permission from Ref. [76]. Copyright 2D Materials.

4.2 基于光學(xué)克爾效應(yīng)的全光調(diào)制器

光學(xué)克爾效應(yīng)是非線性光學(xué)的一個(gè)重要分支.本節(jié)將介紹MZI 結(jié)構(gòu)基于光學(xué)克爾效應(yīng)的全光石墨烯相位調(diào)制器[118]. 調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖12(a)所示, 調(diào)制過程與上文所述類似, 信號光注入系統(tǒng)后被分成90∶10 兩臂, 兩個(gè)可變光衰減器微調(diào)兩臂功率. 控制光從上臂經(jīng)WDM 與信號光合路經(jīng)過包裹石墨烯的微納光纖(GCM), 產(chǎn)生自相位調(diào)制. GCM 是通過將CVD 制備的石墨烯片包裹在微納光纖上制作而成[119], 其光學(xué)顯微鏡圖像如圖12(b)所示. 可以清晰地看到石墨烯片包裹微納光纖. 其中石墨烯是多層結(jié)構(gòu), 目的是為了獲得更強(qiáng)的非線性效應(yīng)并降低損耗[120]. 其包裹的長度為20 μm, 線性透射率(OT)表征結(jié)果如圖12(c)所示. 其中, GCM 的OT 在10%左右波動(dòng)是由于光纖耦合器的散射損耗. 而通過使用MZI 結(jié)構(gòu), 可以使系統(tǒng)的OT 提高到19%. MZI 結(jié)構(gòu)具有更高的調(diào)制深度(MD)與透射率優(yōu)勢.

圖12 (a)基于石墨烯光克爾效應(yīng)的全光相位調(diào)制器實(shí)驗(yàn)裝置[118]; (b) GCM 的光學(xué)顯微鏡圖像[118]; (c) GCM 的傳輸頻譜[118];(d)頂部: 成對的開關(guān)脈沖; 中部: GCM 的光纖的脈沖調(diào)制信號; 底部: 包含GCM 的MZI 脈沖調(diào)制信號[118]; (e)對于包含GCM 的損耗調(diào)制(紅色實(shí)線), MZI 調(diào)制器相位調(diào)制(紅色實(shí)線)以及MZI 的損耗調(diào)制(藍(lán)色虛線)的輸出信號的MD 與峰值開關(guān)功率的關(guān)系[118]Fig. 12. (a) Experimental device of all-optical phase modulator based on graphene optical Kerr effect; (b) optical microscope image of GCM; (c) transmission spectrum of GCM; (d) top: paired switching pulses; middle: pulse modulation signal of GCM fiber; bottom: MZI pulse modulation signal containing GCM; (e) for loss modulation including GCM (solid red line), MZI modulator phase modulation (solid red line) and MZI loss modulation (blue dotted line) output signal modulation depth and peak switching power relationship. Reprinted by permission from Ref. [118]. Copyright Optica.

實(shí)驗(yàn)中使用1550 nm 的CW 光作為信號光,波長1064 nm, 帶寬4.8 Hz 的光脈沖作為控制光,如圖12(d)中的黑線所示. 通過控制開關(guān)光, 研究證明GCM 工作時(shí)由于石墨烯的非線性效應(yīng)同時(shí)對信號光的強(qiáng)度和相位進(jìn)行調(diào)制, 并且主要受到可飽和吸收效應(yīng)的影響. 因此, 為了避免可飽和吸收對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響, 在MZI 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將注入兩臂的信號光功率比改為90∶10. 實(shí)際上, 系統(tǒng)輸出的信號光中只有一半信號光通過GCM, 盡可能地減小了可飽和吸收效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)度調(diào)制的影響,圖12(d)紅線所示為損耗產(chǎn)生的調(diào)制, 藍(lán)線為相位調(diào)制. 從圖12(e)可以看到, 隨著抽運(yùn)功率的提高,調(diào)制器的損耗被很好地控制了, 并且功率與MD成正比. 其中, 藍(lán)線是相位調(diào)制所能達(dá)到的MD.紅線與虛線分別是GCM 和MZI 的損耗所產(chǎn)生的MD. 結(jié)合圖12(d), 可知這一系統(tǒng)相位調(diào)制起主導(dǎo)作用. 于是系統(tǒng)輸出就是經(jīng)光學(xué)克爾效應(yīng)相位調(diào)制的信號光.

圖13 輸出信號光在不同時(shí)間范圍內(nèi)的波形[118]Fig. 13. Waveforms of the output signal light in different time ranges. Reprinted by permission from Ref. [118]. Copyright Optica.

最終實(shí)驗(yàn)輸出的波形如圖13(a)—(c)所示, 輪廓與圖12(d)所示控制光基本一致, 顯然是由于光學(xué)克爾效應(yīng)導(dǎo)致的折射率改變引起的相位調(diào)制, 達(dá)到皮秒級別的時(shí)間響應(yīng). 但上升與下降時(shí)間受限于石墨烯不可避免的熱光效應(yīng), 分別為3 和100 μs.總之, 基于二維材料光克爾效應(yīng)的相位調(diào)制器具有很快的時(shí)間響應(yīng)以及理想的MD, 并且這一結(jié)構(gòu)可以通過增加石墨烯包層的長度進(jìn)一步提高M(jìn)D, 但這意味著OT 將會降低, 石墨烯的損耗很大程度地限制了OT 與MD 的優(yōu)化. 此外, 相位調(diào)制的結(jié)果依賴于MZI 兩臂的初始相位差, 即工作點(diǎn)的設(shè)置,這一點(diǎn)使其可達(dá)到調(diào)整響應(yīng)速度, 甚至負(fù)調(diào)制的效果, 較為靈活. 在MD 和靈活性方面, 基于二維材料非線性效應(yīng)的調(diào)制器中, 光克爾效應(yīng)的相位調(diào)制器優(yōu)勢較為明顯.

4.3 基于四波混頻的波長轉(zhuǎn)換

除利用二維材料光克爾效應(yīng)以及可飽和吸收以外, 四波混頻(FWM)也是全光調(diào)制的一個(gè)有效方式. 石墨烯、TMDs 等眾多二維材料在FWM 中具有很高的可行性. 但石墨烯的弱吸收[121], TMDs在可見光范圍內(nèi)的光響應(yīng)限制了它們的應(yīng)用. 在這方面, BP 除穩(wěn)定性較差外, 帶隙可調(diào)將特別適合用于光通信設(shè)備. 本節(jié)將介紹一個(gè)基于BP 的四波混頻波長轉(zhuǎn)換器[122].

系統(tǒng)耦合方式為上文介紹的具有二維材料涂層的微納光纖, 其結(jié)構(gòu)如圖14(a)所示. 該研究使用1550.70 nm 的分布式反饋半導(dǎo)體激光器作為信號光, 使用PC1 調(diào)整信號光偏振態(tài), 最大化通過10 GHz LiNbO3強(qiáng)度調(diào)制器之后的輸出功率. 另一個(gè)來自1552.35 nm 外腔激光器的可調(diào)連續(xù)光用作抽運(yùn)光. 這兩束光分別經(jīng)PC2和PC3 對齊后通過3 dB 耦合器合路. 為使FWM的結(jié)果更直觀地得到體現(xiàn), 經(jīng)高功率摻鉺光纖放大器與光學(xué)帶通濾波器放大之后再經(jīng)過具有BP 涂層的微納光纖并在其中發(fā)生FWM 效應(yīng)產(chǎn)生新波長的經(jīng)調(diào)制光. 最后使用光譜分析儀分析結(jié)果, 如圖14(b)所示.

圖14 (a)具有BP 涂層的微納光纖光學(xué)顯微鏡圖像[122]; (b)基于BP 四波混頻的波長轉(zhuǎn)換器示意圖[122]; (c)系統(tǒng)輸出光譜圖[122];(d)不同RF 頻率下的消光比和轉(zhuǎn)換效率[122]; (e)不同RF 頻率下對應(yīng)的FWM 光頻譜細(xì)節(jié)[122]Fig. 14. (a) Optic microscope image of BP-coated microfiber; (b) schematic diagram of wavelength converter based on BP four-wave mixing; (c) system output spectrum; (d) extinction ratio and conversion at different RF frequencies efficiency; (e) details of the corresponding FWM optical spectrum at different RF frequencies. Reprinted by permission from Ref. [122]. Copyright Acs Photonics.

輸出光譜如圖14(c)所示, 分別在1549.05 和1554.0 nm 處產(chǎn)生了經(jīng)轉(zhuǎn)換的光. 可以注意到光譜峰的不平整, 這是在信號光中的可調(diào)射頻(RF)信息. 新轉(zhuǎn)換出的光光譜峰與信號光具有高度相似性, 這代表信息被成功加載調(diào)制. 由于光學(xué)帶通濾波器的存在, 這一結(jié)果排除了系統(tǒng)中的其他非線性效應(yīng)引起的FWM, 比如由BP 微納光纖與摻鉺光纖放大器產(chǎn)生的自發(fā)輻射放大. Zheng 等[122]已完整地論證了系統(tǒng)中BP 的關(guān)鍵作用與良好的穩(wěn)定性. 但當(dāng)抽運(yùn)光波長變化時(shí), 由于走離效應(yīng), 輸出光將會失諧, 相位不匹配, 導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低.圖14(d)與圖14(e)給出的分別是RF 頻率步進(jìn)到10 GHz 時(shí)的消光比和頻譜變化, 可以看到轉(zhuǎn)換效率幾乎不變地保持在大概–42.9 d B, 消光比則從12 dB 減小到10 dB. 在這一過程中, 隨著信號光頻率的提高, 輸出的新的轉(zhuǎn)換波頻譜也隨之變寬變清晰. 消光比的變化主要是由于摻鉺光纖放大器中的非線性效應(yīng). 此外, 在高頻率信號光下, FWM 頻譜不具有高階信號, 這是因?yàn)樾盘栠^弱以至于光譜分析儀的精度不足以檢測到. 同時(shí), 高階弱信號被自發(fā)輻射的噪聲阻塞, 進(jìn)一步加大檢測難度. 也是因?yàn)檫@個(gè)原因, Zheng 等[122]沒有對系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行討論.

這項(xiàng)工作證明了信號光中的信息可以通過二維材料的FWM 效應(yīng)加載到新產(chǎn)生的FWM 光中,未來可以考慮優(yōu)化結(jié)構(gòu), 進(jìn)一步提高FWM 轉(zhuǎn)換效率. 總之, 所有的測試結(jié)果表明, 這種新型的非線性光學(xué)器件可以用于全光信號處理擴(kuò)展通信頻段,并具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性. 未來可以嘗試尋找一個(gè)光通信頻段內(nèi)的, 具有BP 特性但更穩(wěn)定的材料應(yīng)用于這一系統(tǒng)進(jìn)一步地優(yōu)化.

不同于熱光響應(yīng)的緩慢響應(yīng), 基于非線性效應(yīng)的全光器件利用二維材料優(yōu)秀的光學(xué)非線性特性,達(dá)到了更快的響應(yīng)速度并且功耗更低, 產(chǎn)生的熱量也更低, 是目前實(shí)現(xiàn)全光信號處理的主要器件. 表3總結(jié)了基于不同二維材料非線性效應(yīng)的全光器件[116,118,122?128], 包括全光調(diào)制器[118,122?124]、全光開關(guān)[116,125]以及波長轉(zhuǎn)換器[122?124,126?128]. 其中全光開關(guān)也即全光強(qiáng)度調(diào)制器, 多通過二維材料可飽和效應(yīng)實(shí)現(xiàn), 其調(diào)制速度受到控制光頻率的限制, 基本沒有響應(yīng)時(shí)間, 是最有希望達(dá)到二維材料理論速度限制的一種調(diào)制器, 也是目前調(diào)制速度最快的調(diào)制器. 對于克爾效應(yīng)與四波混頻, 因?yàn)槭┑娜跷? 其光操縱能力有限, 并且損傷閾值低, 不適合用于這一類型的調(diào)制器. 而TMDs 的光響應(yīng)波段通常在可見光范圍內(nèi), 這限制了其在光通信頻帶中的應(yīng)用. 至于BP[129,130], 盡管它具有可控帶隙,但是它受到弱穩(wěn)定性的高度限制[131,132], 通常需要通過離子摻雜或用其他層狀材料涂覆來增加其穩(wěn)定性[133]. 雖然已成功應(yīng)用于此種類型的調(diào)制器, 但成本較高, 制備復(fù)雜. 全光相位調(diào)制器多基于克爾效應(yīng), 也稱為克爾相移器. 其控制效率較高, 系統(tǒng)穩(wěn)定, 能有效地降低成本與功耗. 四波混頻對信息的復(fù)制較為完整. 四波混頻與克爾效應(yīng)均需要很高的抽運(yùn)光功率, 對設(shè)備要求較高, 而輸出的光信號強(qiáng)度卻微弱, 甚至光譜儀無法檢測. 提高輸出光功率又是與系統(tǒng)的插入損耗互斥的, 距離實(shí)際應(yīng)用仍存在很大改進(jìn)空間. 另外, 還有相干吸收效應(yīng),Rao 等[134]基于石墨烯在Sagnac 干涉儀中達(dá)到了80%的調(diào)制效率.

表3 基于不同二維材料非線性效應(yīng)的全光器件總結(jié)Table 3. Comparison of all-optical devices based on nonlinear effects of different two-dimensional materials.

5 討論與總結(jié)

實(shí)際上, 石墨烯的生產(chǎn)已經(jīng)逐漸由實(shí)驗(yàn)室中合成少量薄膜開始, 逐漸發(fā)展到大規(guī)模制作[135]. 在可以預(yù)見的未來, 二維材料大規(guī)模合成, 制作成本進(jìn)一步降低, 將能應(yīng)用于多種光學(xué)設(shè)備, 如基于二維材料的全光信號處理作為邏輯運(yùn)算單元[136,137]應(yīng)用到人工智能系統(tǒng)[138?142]、超靈敏傳感器、超高密度數(shù)據(jù)存儲等. 二維材料的緊湊性及機(jī)械靈活性很好地迎合各種器件高度集成化微型化的需求. 除了制備工藝的不斷成熟, 新的二維材料也不斷被報(bào)道, 如鈣鈦礦[143?145]、氧化石墨烯[146,147]、拓?fù)浣^緣體[93,148,149]等, 它們在全光調(diào)制中的應(yīng)用仍然有待開發(fā), 二維材料的研究只是剛剛開始.

對于光學(xué)調(diào)制器, 傳統(tǒng)電光調(diào)制器達(dá)到了30 GHz 以上的輸出[61], 已經(jīng)逼近物理極限, 漸漸不能滿足日益增長的需求. 于是越來越多的研究期望在全光系統(tǒng)中尋找解決方案. 從全光控制器件和二維材料的結(jié)合方式看, 目前二維材料與全光控制器件耦合的載體主要有三種: 微納光纖、光纖耦合器以及波導(dǎo). 微納光纖具有強(qiáng)倏逝場, 很好地契合二維材料的強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用, 并且體積較小, 靈活, 對全光纖系統(tǒng)兼容性好; 光纖耦合器通常是利用光沉積將二維材料沉積在接頭纖芯, 這一方式操作簡單, 但體積較大, 沉積效果不佳, 適合初步測試系統(tǒng)以及表征材料特性; 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是最有潛力的結(jié)構(gòu), 體積小, 與現(xiàn)代工藝兼容, 并且小體積的二維材料表現(xiàn)出卓越的光學(xué)性質(zhì), 比如石墨烯的損耗大小與作用面積成反比, 更小體積的石墨烯能有更高的MD 與OT. 由于二維材料體積小、損耗小,抽運(yùn)光將能使用更低的功率, 熱效應(yīng)所造成的延時(shí)也能大幅縮短(即有更快的響應(yīng)速度). 并且與業(yè)界微型化的需求方向是一致的.

從全光器件的結(jié)構(gòu)看, 分為非諧振設(shè)計(jì)(MZI結(jié)構(gòu)、MI 結(jié)構(gòu)和PI 結(jié)構(gòu))與諧振設(shè)計(jì)(微環(huán)諧振器). 非諧振設(shè)計(jì)主要是利用光的干涉原理實(shí)現(xiàn)光開關(guān)與光調(diào)制的功能. MZI 結(jié)構(gòu)的調(diào)制器將信號光分為兩臂, 二維材料只存在于其中一臂, 很好地減少了對信號光功率的吸收損耗, 比起單一光路的損耗調(diào)制器有更高的OT 與MD, 同時(shí)也降低了對控制光功率的要求. MI 結(jié)構(gòu)則是MZI 結(jié)構(gòu)的改良版, 改善了MZI 結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性. 由于存在反射結(jié)構(gòu)使得信號光與控制光能通過二維材料兩次, 提高了熱光效應(yīng)的效率, 所以能大大縮短響應(yīng)時(shí)間, 同時(shí)有更好的MD 和OT. PI 結(jié)構(gòu)是非諧振設(shè)計(jì)中最優(yōu)秀的結(jié)構(gòu), 具有MZI 結(jié)構(gòu)和MI 結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí), 最大程度地避免了環(huán)境的干擾, 系統(tǒng)穩(wěn)定性最佳. 而諧振設(shè)計(jì)較非諧振設(shè)計(jì)更為優(yōu)秀, 微環(huán)諧振器的存在, 使得二維材料體積能夠盡可能地小. 這意味著有更高的OT、更快的響應(yīng)時(shí)間, 并且很適合集成到波導(dǎo), 實(shí)現(xiàn)低控制光功率的調(diào)制, 將會是未來全光控制器件結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)重要方向.

從全光器件的原理看, 目前主要利用二維材料的熱光效應(yīng)以及非線性效應(yīng). 熱光效應(yīng)理論體系完善, 二維材料所具有的高熱導(dǎo)率, 應(yīng)用于相位調(diào)制有比較好的表現(xiàn), 并且有良好的調(diào)制深度, 但容易受到環(huán)境干擾, 響應(yīng)時(shí)間受散熱速度的限制. 非線性效應(yīng)較為豐富, 還有很多研究的空間. 其中可飽和吸收效應(yīng)是最成熟的調(diào)制方式, 其具有很寬的工作帶寬、快速的響應(yīng)和微型尺寸. 大量工作已使得基于此原理的器件性能穩(wěn)定增長, 尤其是超快脈沖的產(chǎn)生. 光學(xué)克爾效應(yīng)對實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能較為友好,擁有不遜色于可飽和吸收效應(yīng)的響應(yīng)速度, 但會受到熱光效應(yīng)的干擾波動(dòng).

目前全光調(diào)制要與電門控競爭的關(guān)鍵在于解決調(diào)制深度不足以及能耗過高問題. 在調(diào)制深度方面, 可以考慮采用相位調(diào)制的方式, 只要致力于產(chǎn)生足夠的相移, 調(diào)制深度就相當(dāng)于消光比; 在能耗方面, 通過優(yōu)化結(jié)構(gòu), 采用類似于微環(huán)諧振器, 集成波導(dǎo)等, 盡可能地縮小二維材料的體積, 就可以大大降低能耗. 解決這兩個(gè)問題, 二維材料的全光控制優(yōu)勢將會相當(dāng)明顯. 因此將來應(yīng)更多地往高度集成光波導(dǎo)的方向發(fā)展. 此外, 熱光效應(yīng)對環(huán)境溫度的敏感性也可作為全光系統(tǒng)集成溫度傳感芯片的一個(gè)研究方向.

全光信號處理不僅為光電子學(xué)帶來了光對光直連的方便, 它使得許多新概念設(shè)備成為了可能,并應(yīng)用到全光路由和邏輯門[2,78]、光學(xué)計(jì)算、光子人工智能和光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、中紅外和太赫茲生物傳感等領(lǐng)域, 徹底改變?nèi)藗儗τ诠庾訉W(xué)的認(rèn)知. 但全光控制器件的應(yīng)用仍然存在許多挑戰(zhàn), 例如, 沒有實(shí)現(xiàn)弱光控制強(qiáng)光、結(jié)合光開關(guān)與光放大的功能;二維材料的高吸收損耗難以避免, 導(dǎo)致MD 和OT較電光調(diào)制低并且需要毫瓦級的功率消耗等. 總之, 距離實(shí)現(xiàn)光通信中的應(yīng)用還有很大的困難. 籠統(tǒng)地說, 電光和全光調(diào)制區(qū)別是用電場或者光場的手段對光學(xué)介質(zhì)的特性進(jìn)行調(diào)控, 進(jìn)而影響光的強(qiáng)度、相位、偏振等特性. 電光調(diào)制主要是用兩種方式: 電加熱材料改變折射率, 結(jié)合干涉儀結(jié)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制. 另一種方式是利用電致材料吸收變化, 實(shí)現(xiàn)光的強(qiáng)度調(diào)制. 而全光調(diào)制的方式較多,特別是利用材料的非線性特性, 可優(yōu)先實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制, 波長轉(zhuǎn)化技術(shù)也易于拓展通信容量. 雖然基于二維材料的全光調(diào)制器表現(xiàn)出了優(yōu)秀的工作帶寬以及響應(yīng)速度, 但遺憾的是沒有一整套的全光系統(tǒng)方案, 研究全光控制器件不得不考慮與現(xiàn)有工藝、電子系統(tǒng)的兼容性, 為全光控制領(lǐng)域的發(fā)展帶來不小的挑戰(zhàn). 目前可以從兩個(gè)方向突破: 1)二維材料與微納光子器件結(jié)合, 有望實(shí)現(xiàn)高速低功耗光調(diào)制器. 如二維材料與等離子體結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)了消光比為3.5 d B, 響應(yīng)時(shí)間小于100 fs, 功耗為35 fJ的全光開光[14]; 二維材料與微環(huán)諧振腔結(jié)合[150?152], 實(shí)現(xiàn)了百納秒級的效應(yīng)時(shí)間以及0.164π/mW 的諧振效率[153]. 2)探索具有超快載流子馳豫的新型二維材料, 例如磷化鎵[154]等.

總之, 本文基于二維材料的熱光效應(yīng)和非線性效應(yīng), 回顧了全光器件的研究現(xiàn)狀, 然后討論了全光器件的挑戰(zhàn)和機(jī)遇. 總體而言, 基于2D 材料的全光控制已引起了極大的關(guān)注, 接連取得突破, 有望保持高速發(fā)展. 期望在未來, 全光控制器件會成為各種全光系統(tǒng)的基石, 推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步.

感謝張晗教授的幫助與指導(dǎo).