CN105589195B - 一种基于黑磷的全光调制器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于黑磷的全光调制器装置，该装置包括泵浦激光源、直流连续激光源、反射镜、二向色激光束合束镜、凸透镜、微纳光纤、黑磷和带通滤光片。本发明黑磷对可见光到近红外光的光谱都具有较好的饱和吸收特性，可在宽光谱范围内进行工作，且本发明采用全光调制，克服了电光调制的调制速率瓶颈的难题，具有光调制速率快，功耗低、调制深度高、且与光纤系统兼容的优点。

Description

一种基于黑磷的全光调制器装置
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种基于黑磷的全光调制器装置。
背景技术
光调制器是光通信系统的基础和关键部件，其功能是改变通过光调制器的光载波的强度、相位、偏振等特性，将电信号加载到光载波上。
近年来，二维晶体材料由于其优异的光学及电学特性，成为半导体材料研究的新方向。继石墨烯、二硫化钼之后，复旦大学物理系张远波教授课题组发现了一种新型二维半导体材料——黑磷。黑磷是一种折叠蜂窝状晶格结构的二维磷原子单层，它具有非常好的半导体性质，在未来可以应用于集成电路；具有良好的电子迁移率，还有非常高的漏电流调制率（是石墨烯的10000倍），且具有饱和吸收特性；并且它具有一个0.3eV的半导体带隙，相当于4.1 的光子波长，这表明黑磷能够用于宽带光调制。黑磷的这些特性使得其在光调制器上可以充分发挥其优势（见文献Rui Zhang, et al. Broadband black phosphorusoptical modulator in visible to mid-infrared spectral range. ）。
目前的光调制器大部分均是电光调制器，其主要工作原理是改变通过调制器的光载波强度、相位、偏振等特性，将电信号加载到光载波上；但电光调制器受限于电子瓶颈，很难继续提升调制速率，因此研究人员提出了全光调制。
V.R.Almeida等在2004年利用硅波导环形腔来提高光对折射率变化的灵敏度，在实验上演示了超快的全光调制现象（见文献V.R.Almeida, C.A.Barrios, R.R.Panepucciand M.Lipson, All-optical control of light on a silicon chip,Nature 431,1081-1084(2004)）。
杜克大学的Andrew M.C.Dawes等发现，将极弱的泵浦光打到铷原子蒸汽时，会改变原来的探测光的光场分布，从而实现极低功耗的超快全光调制（见文献A.M.C.Dawes,L.Illing,S.M.Clark,D.J.Gauthier,All-optical switching in Rubidium vapor,Science 308,672-674(2005)）。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前电光调制器中调制速率难以继续提升以及难以进行宽带光调制等不足，提出了一种基于黑磷的全光调制器装置，采用黑磷能够用于宽带光调制，且黑磷具有饱和吸收特性，能够用于全光调制；本发明采用全光调制，功耗极低。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于黑磷的全光调制器装置，包括泵浦激光源、直流连续激光源、反射镜、二向色激光束合束镜、凸透镜、微纳光纤、黑磷、带通滤光片；泵浦激光源的出射光束经反射镜反射在二向色激光束合束镜上与直流连续激光源出射的光束进行合束，合束后的光通过凸透镜进行聚焦注入到被黑磷包裹着的微纳光纤中进行传输，经过带通滤光片滤掉由泵浦激光源出射的光信号，得到直流连续激光的信号光。
上述方案中，所述的泵浦激光源为超短脉冲激光器，脉冲光平均光功率大于300，并且脉冲光的脉冲间隔可被人为编码控制。
上述方案中，所述的直流连续激光源的平均光功率小于300。
上述方案中，所述的微纳光纤是将传统光通信单模光纤通过火焰加热后拉伸而成的双锥形微纳光纤，并且一段微纳光纤表面被黑磷包裹住。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种基于黑磷的全光调制器装置，其黑磷包层微纳光纤制备简单，具有极低的光传输损耗，且与现有光纤通信系统兼容。
2、本发明提供的一种基于黑磷的全光调制器装置，相比于传统铌酸锂材料的电光调制器，黑磷材料的全光调制器克服了电子瓶颈这一难题，可将调制速率进一步提升，且黑磷具有宽光谱吸收，适用的光谱范围大大提高。
3、当有泵浦激光束脉冲经过时，高功率脉冲光致使黑磷包层达到饱和吸收，从而对较弱的连续直流光基本不吸收，当无脉冲光经过时，黑磷包层对连续直流光有明显吸收，光信号无法通过，从而实现全光的信号调制，最后经过带通滤光片滤掉由泵浦激光源出射的光信号，得到直流连续激光的信号光。与传统电光调制器相比较，全光调制器克服了电子瓶颈这一难题，可将调制速率进一步提升，且黑磷具有宽光谱吸收，适用的光谱范围大大提高。
附图说明
图1是本发明黑磷的全光调制装置的示意图；
图中标记，1-泵浦激光源，2-直流连续激光源，3-反射镜，4-二向色激光束合束镜，5-凸透镜，6-微纳光纤， 7-黑磷，8-带通滤光片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
结合附图，本发明的一种基于黑磷的全光调制器装置，如图1所示，包括泵浦激光源1、直流连续激光源2、反射镜3、二向色激光束合束镜4、凸透镜5、微纳光纤6、黑磷7、带通滤光片8；泵浦激光源1的出射光束经反射镜3反射在二向色激光束合束镜4上与直流连续激光源2出射的光束进行合束，合束后的光通过凸透镜5进行聚焦注入到被黑磷7包裹着的微纳光纤6中进行传输，经过带通滤光片8滤掉由泵浦激光源出射的光信号，得到直流连续激光的信号光。
所述的泵浦激光源1为超短脉冲激光器，脉冲光平均光功率大于300，并且脉冲光的脉冲间隔可被人为编码控制。
所述的直流连续激光源2的平均光功率小于300。
所述的微纳光纤6是将传统光通信单模光纤通过火焰加热后拉伸而成的双锥形微纳光纤，并且一段微纳光纤表面被黑磷7包裹住。
本发明的全光调制器装置工作原理为：器件工作时，泵浦激光源的出射光束经反射镜反射在二向色激光束合束镜上与直流连续激光源出射的光束进行合束，合束后的光通过凸透镜进行聚焦注入到被黑磷包裹着的微纳光纤中进行传输，经过带通滤光片滤掉由泵浦激光源出射的光信号，得到直流连续激光的信号光。黑磷对可见光到近红外光的光谱都具有较好的饱和吸收特性，合束光通过黑磷包裹着的微纳光纤时，当泵浦激光束脉冲时，高功率脉冲光致使黑磷包层达到饱和吸收，从而对较弱的连续直流光基本不吸收，当无脉冲光经过时，黑磷包层对连续直流光有明显吸收，光信号无法通过，从而实现全光的信号调制。
实施例
本实施例一种基于黑磷的全光调制器装置，示意图如图1；图1是本发明黑磷的全光调制器装置的示意图；。包括泵浦激光源1、直流连续激光源2、反射镜3、二向色激光束合束镜4、凸透镜5、微纳光纤6、黑磷7、带通滤光片8；泵浦激光源1的出射光束经反射镜3反射在二向色激光束合束镜4上与直流连续激光源2出射的光束进行合束，合束后的光通过凸透镜5进行聚焦注入到被黑磷7包裹着的微纳光纤6中进行传输，经过带通滤光片8滤掉由泵浦激光源出射的光信号，得到直流连续激光的信号光。泵浦激光源1为超短脉冲激光器，脉冲光平均光功率大于300，并且脉冲光的脉冲间隔可被人为编码控制。直流连续激光源2的平均光功率小于300。微纳光纤6是将传统光通信单模光纤通过火焰加热后拉伸而成的双锥形微纳光纤，并且一段微纳光纤表面被黑磷7包裹住。
器件工作时，采用1064nm泵浦激光源（脉宽5ns，重复频率2.4kHz）作为泵浦开关光，出射光束经反射镜反射在二向色激光束合束镜上与直流连续激光源出射的光束进行合束，其直流连续激光源采用1550nm的连续光，合束后的光通过凸透镜进行聚焦注入到被黑磷包裹着的微纳光纤中进行传输，利用黑磷的饱和吸收特性（多层黑磷的饱和吸收值为9），合束光通过黑磷包裹着的微纳光纤时，当有泵浦激光束脉冲经过时，高功率脉冲光致使黑磷包层达到饱和吸收，从而对较弱的连续直流光基本不吸收，当无脉冲光经过时，黑磷包层对连续直流光有明显吸收，光信号无法通过，从而实现全光的信号调制，最后经过带通滤光片滤掉由泵浦激光源出射的光信号，得到直流连续激光的信号光。与传统电光调制器相比较，全光调制器克服了电子瓶颈这一难题，可将调制速率进一步提升，且黑磷具有宽光谱吸收，适用的光谱范围大大提高。

Claims (4)

1.一种基于黑磷的全光调制器装置，该装置包括泵浦激光源（1）、直流连续激光源（2）、反射镜（3）、二向色激光束合束镜（4）、凸透镜（5）、微纳光纤（6）、黑磷包层（7）和带通滤光片（8）；
泵浦激光源（1）的出射光束经反射镜（3）反射在二向色激光束合束镜（4）上与直流连续激光源（2）出射的光束进行合束，合束后的光通过凸透镜（5）进行聚焦注入到被黑磷包层（7）包裹着的微纳光纤（6）中进行传输，经过带通滤光片（8）滤掉由泵浦激光源出射的光信号，得到直流连续激光的信号光。
2.根据权利要求1所述的一种基于黑磷的全光调制器装置，其特征在于，所述的泵浦激光源为超短脉冲激光器，脉冲光平均光功率大于300W，并且脉冲光的脉冲间隔可被人为编码控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于黑磷的全光调制器装置，其特征在于，所述的直流连续激光源的平均光功率小于300W。
4.根据权利要求1所述的一种基于黑磷的全光调制器装置的微纳光纤的制作方法，其特征在于，将光通信单模光纤通过火焰加热后拉伸而成的双锥形微纳光纤，并且一段微纳光纤表面被黑磷材料包裹住。
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