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张晗课题组:利用黑磷的非线性光克尔效应实现全光信号处理

2017-06-16 14:50
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在高速光信息网络如通信和计算领域,传统的电子瓶颈问题日益凸显。虽然信号传输大都采用高速光信号,但是光信号的处理完全依赖电阈方式来实现,遵循的是“光-电-光”的模式,即先把光信号转换成电信号,经过电信号处理之后再次转换成光信号进行传输。该方式面临着严重的速率受限、格式不透明等棘手问题,于是人们将越来越多的目光投向全光信号处理技术。

信息的交换技术是目前高速信息网络的一大瓶颈,因此全光交换是未来全光信号处理技术当中被寄予众望的一项使命。光开关和基于波长转换的路由切换是光交换技术的主要方法,而全光交换的实现需要全光开关和基于全光波长转换的路由切换的支撑。

作为克服传统电子信号处理瓶颈的有效手段,全光信号处理亟需先进的非线性光学材料与器件支撑。新型二维材料以其所具备的优异非线性光学效应(饱和吸收效应和光克尔效应),被广泛应用于全光开关、波长转换、放大器和激光器、光通信信号处理、非线性光学光谱检测等多个领域。

黑磷,一种新型的层状结构材料,甫一加入到二维材料家族中,便引起了研究者的广泛关注。黑磷的结构与石墨烯的片层状结构相似。但与石墨烯具有零带隙不同,二维黑磷材料具有0.3-2 eV可调节的直接带隙能带结构。此外,黑磷还有媲美于硅的高迁移率,并且其光电性质具有面内各向异性。上述特征使得黑磷在射频器件、逻辑晶体管、红外光调制器、偏振器等应用中表现出独特的优势。

然而尽管黑磷纳米材料被广泛看好,但黑磷的实际应用由于受到氧化作用以及水汽的影响,其稳定性大打折扣,性能也随之劣化。针对上述问题,张晗教授团队采用液相剥离方法制备出少层黑磷纳米片,并进一步通过金属离子(AgNO3 或者 HAuCl4)功能化修饰提高黑磷材料的抗氧化性能和稳定性。在此基础上,基于黑磷材料的非线性光克尔效应研发了黑磷沉积微纳光纤复合结构用于光克尔开关和和四波混频波长转换器件。实验结果显示该宽带器件不仅具备相对较高的转换效率、调制消光比,还具备较高的稳定耐用性。该项工作表明,通过金属离子修饰的方法使得应用黑磷优异的非线性光学特性来实现全光信号处理功能,在高性能和高稳定性方面迈出了重要的一步。相关成果发表在ACS Photonics[Articles ASAP (As Soon As Publishable)]上。

该团队采用采用液相剥离方法制备出少层黑磷纳米片,并进一步通过金属离子(AgNO3 或者 HAuCl4)功能化修饰提高黑磷材料的抗氧化性能和稳定性。然后,将少层黑磷材料光沉积在微纳光纤的拉锥区上,制备出黑磷-微纳光纤复合结构,其中微纳光纤作为光波导,实现光在微纳光纤中的稳定传输。由于微纳光纤表面的倏逝场与材料的相互作用,具备极高非线性系数的黑磷纳米材料将展现出明显的非线性光克尔效应。高功率的泵浦光由于交叉相位调制作用(XPM)将会对信号光的偏振态进行调控,而偏振态的突变受到检偏器的投影作用而转换成信号光能量的开关切换。基于此,该团队首次实现了基于黑磷-微纳光纤复合结构的全光克尔开关功能器件,其开/关状态下的消光比高达26dB,如图1所示。

图1全光克尔开关光谱数据实验结果:(a)泵浦光关闭;(b)泵浦光打开,小插图为泵浦光的光谱。

当泵浦光和信号光同时被放大进入到该黑磷-微纳光纤复合结构时,由于非线性光克尔效应将会产生明显的四波混频现象(FWM),新产生的FWM分量仍将携带原先信号光所加载的信息,由此实现了所需传输的信息从信号光波长分量拷贝至FWM分量,达到了全光波长转换功能。基于此,该团队首次实现了基于黑磷-微纳光纤复合结构的全光波长转换功能器件,消光比达到10dB以上,转换效率约为-42.9dB,如图2所示。

图2全光波长转换实验结果:(a)不同射频频率时的光谱; (b) 不同射频频率时的消光比和转换效率; (c)不同射频频率时的信号光的细节图;(d)不同射频频率时的四波混频光的细节图,小插图为1阶边带的间隔;(e) 射频频率为10 GHz时的信号光细节图;(f) 射频频率为10 GHz时的四波混频光细节图。

此外,实验还进行了长时间的稳定性重复测试,测试结果表明,这个新颖的非线性光学器件不仅可用作宽带的全光信号处理,还具备很高的稳定性。这种特性主要归因于较高的非线性折射率以及金属离子修饰黑磷所带来的保护。

该项工作表明,二维材料黑磷所拥有的天然直接带隙位于光通信频段,将可作为优秀的非线性光学物质用于全光信号处理,并且由于高性能和良好的稳定性而更具实用性。这必将为基于二维材料的光子学以及光通信和微波光子学的发展打开了一扇新的大门。

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