CN111240123A - 光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器及制备方法，将硒化镓纳米片集成在微纳光纤表面，用脉冲激光或连续激光作泵浦光，在横截面上具有很强的功率密度，且在光纤表面具有很强的倏逝场，结合硒化镓纳米片1的高二阶光学非线性极化率的特性，可以高效地产生倍频光或和频光。微纳光纤集成硒化镓纳米片后，二次谐波的强度提升了4个数量级。数值模拟表明，泵浦光基模、倍频光或和频光高阶模的模式折射率对波长的依赖性较小，此外，硒化镓纳米片具有较高的损伤阈值，且理论上倍频光或和频光的功率与泵浦光功率成平方关系，因此，只要进一步提高泵浦光功率，就能在很宽的波长范围内实现更强的倍频光或和频光输出。
Description
技术领域
本发明涉及光学频率转换器，属于非线性光学技术领域。具体涉及一种光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器及制备方法。
背景技术
倍频与和频是典型的二阶非线性光学现象，近年来，研究人员已利用倍频效应产生了绿色、红色以及其他波段的激光，在多个领域都有广泛的应用。只有不具有中心反演对称性的材料才可能产生二阶非线性光学效应，且能产生二阶非线性光学效应的材料一般也能产生微弱的三阶非线性光学效应，但能产生三阶非线性光学效应的材料未必能产生二阶非线性光学效应，如惰性气体可以产生较强的三次谐波，但不能产生二次谐波与和频。目前利用空间光产生二阶非线性光学效应的材料主要为铌酸锂晶体、BBO晶体以及KDP晶体等二阶非线性极化率较高的倍频晶体，然而在光纤中，由于传统光纤材料熔融二氧化硅为非晶体，具有中心反演对称性，利用飞秒激光等峰值功率极高的脉冲激光作泵浦光，也只能产生极弱的二阶非线性光学效应。迄今为止，热极化、电场极化、开槽等技术已被用于打破光纤材料的中心反演对称性，从而一定程度上增强了光纤的二阶非线性光学效应，但仍然存在工艺复杂与制备条件过于严苛等问题，如：超过200摄氏度的温度、高至千伏的极化电压以及峰值功率极高的飞秒脉冲等，不仅成本很高，而且需要操作人员具有专业的操作能力，从而限制了相关技术的推广。此外，在普通单模光纤纤芯中通过掺杂破坏二氧化硅的中心反演对称性也可以产生二阶非线性光学效应，但长距离掺杂引起的泵浦光损耗较大。微纳光纤具有强倏逝场、超低损耗、低色散、很小的横向模场面积等优点。以脉冲激光或连续激光作泵浦光，通过控制微纳光纤的直径可以调节波导色散，从而找到一个最佳直径，使得泵浦光的基模和倍频光或和频光的高阶模具有相同的模式折射率，从而消除群速度色散，即满足相位匹配，此时可以产生很强的二阶非线性光学效应。在微纳光纤中利用此种二阶非线性光学效应，将会进一步增强全光纤器件的功能、扩大其应用领域，并与强大的全光纤网络相兼容，具有较大的应用前景。
近年来，二维材料由于优异的电学和光学性能，且易于与光纤集成，在全光纤结构中显示出了广阔的应用前景。与块体非线性光学晶体相比，二维材料能极大增强库仑相互作用，进而增强高阶激子效应，并激发从直接带隙到间接带隙的跃迁。利用二维材料中强烈的光与物质相互作用，可以激发非线性谷电流和自旋电流、二次谐波、四波混频等非线性效应。但是，只有将具有较大二阶非线性极化率的二维材料和光学性能优异的硅材料光纤结合起来，才能有效增加光与材料相互作用的长度，最终增强倍频、和频等二阶非线性光学效应。但是，目前的研究主要集中于利用空间光聚焦在块状非线性晶体中来激发二阶非线性光学效应。也有研究人员在两段纤芯对齐的普通单模光纤之间嵌入二维材料来激发二阶非线性光学效应，但与光纤的耦合效率过低，且存在器件过于脆弱、可重复性差等诸多问题。因此，如何制造一种能显著增加光与材料作用距离，并具有较高可重复性的全光纤器件，就成为亟待解决的问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器及制备方法，通过将硒化镓纳米片1集成在微纳光纤2的表面，实现倍频光及和频光的激发。
技术方案
一种光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器，其特征在于硒化镓纳米片1、微纳光纤2和单模光纤3；微纳光纤2的两端为单模光纤3，微纳光纤2的中部为锥腰区域，表面集成有硒化镓纳米片1；所述的微纳光纤2的总长度为21～45mm，从两端到中央锥腰区域分别为均匀锥区的过渡区，过渡区长度为10～20mm，直径自125μm过渡至0.5～6μm，微纳光纤2中央锥腰区域直径为0.5～6μm的长度为0.5～5mm。
所述过渡区包括两段相反方向的弧连接。
所述硒化镓纳米片1采用少层ε型硒化镓纳米片。
所述少层ε型硒化镓纳米片横向尺寸大小为0.05～1μm，层数为1～10层。
所述硒化镓纳米片1采用硒化铟纳米片、二硫化钨纳米片或二硫化钼纳米片替代。
一种制备所述光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、在单模光纤3中间拉制成微纳光纤2：在洁净室中，使用剥线钳去除单模光纤的涂覆层，并用酒精擦去残留物，使用氢氧焰进行加热，在温度为1100～1500摄氏度，进行拉制；其中：火焰上方与待拉制光纤的距离是0～3mm，拉制速度为7～20mm/s；
步骤2、在微纳光纤2集成硒化镓纳米片1：将硒化镓纳米片1分散在乙醇与水的混合溶液中，使用移液枪每次吸取20～80μL对微纳光纤2的锥区进行集成，同时向微纳光纤2中入射635nm波长的红光；
多次重复上述步骤，每次集成间隔10～30分钟，直到微纳光纤2的透射率降到-2～-3dB或能产生较强二次谐波为止。
有益效果
本发明提出的一种光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器及制备方法，通过物理液相沉积的方法，将硒化镓纳米片1集成在微纳光纤2表面，通过控制微纳光纤直径和长度来调控波导色散，使得泵浦光与倍频光或和频光最大限度满足相位匹配条件。可以用脉冲激光或连续激光作泵浦光，由于微纳光纤2的直径很细，在横截面上具有很强的功率密度，且在光纤表面具有很强的倏逝场，结合硒化镓纳米片1的高二阶光学非线性极化率的特性，可以高效地产生倍频光或和频光。实验表明，微纳光纤2集成硒化镓纳米片1后，二次谐波的强度提升了4个数量级。数值模拟表明，泵浦光基模、倍频光或和频光高阶模的模式折射率对波长的依赖性较小，此外，硒化镓纳米片1具有较高的损伤阈值，且理论上倍频光或和频光的功率与泵浦光功率成平方关系，因此，只要进一步提高泵浦光功率，就能在很宽的波长范围内实现更强的倍频光或和频光输出。
附图说明
图1，微纳光纤的示意图，包括过渡区a、均匀锥区b，倾斜部分为过渡区a，两段过渡区中间固定直径部分为均匀锥区b。
图2，微纳光纤集成硒化镓纳米片的扫描电子显微镜图，鳞片状部分显示了硒化镓纳米片的沉积区域。
图3，倍频光产生的实验装置图。
图4，采用脉冲激光器作泵浦光时倍频光信号的光谱。
图5，使用1310nm连续光激光器作泵浦光时655nm倍频光的相对强度。
图6，使用1500～1620nm的波长可调谐连续光激光器作泵浦光时755nm、771nm、787nm、803nm倍频光的相对强度。
图7，和频光产生的实验装置图。
图8，采用两个不同波长连续光激发的倍频光与和频光的光谱。
其中：1-硒化镓纳米片；2-微纳光纤；3-单模光纤；4-1550nm皮秒脉冲激光器；5-光谱仪；6-1310nm连续光激光器；7-1500～1620nm的波长可调谐连续光激光器；8-波分复用器。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
通过将硒化镓纳米片1集成在微纳光纤2的表面，实现倍频光及和频光的激发。其特征在于：包括硒化镓纳米片1、微纳光纤2、单模光纤3(对C波段的光为单模)；微纳光纤2的表面集成有硒化镓纳米片1；
所述的单模光纤3为光纤通讯用普通单模光纤。
所述的微纳光纤2采用火焰拉锥技术，在单模光纤3中间拉制成微纳光纤2。具体制备工艺如下：在洁净室中进行制备，使用剥线钳去除单模光纤的涂覆层，并用酒精擦去残留物，使用氢氧焰进行加热，拉制温度为1100～1500摄氏度，火焰上方与待拉制光纤的距离是0～3mm，拉制速度为7～20mm/s。
所述的微纳光纤2的总长度为21～45mm，从两端到中央分别为过渡区、均匀锥区，过渡区长度约为10～20mm,直径从125μm逐渐减小。锥区长度为0.5～5mm，直径为0.5～6μm。实验表明，当过渡区较短时，光谱的模间干涉效应较明显，当过渡区较长时，模间干涉效应较弱。
所述微纳光纤2集成硒化镓纳米片1的具体工艺如下：将硒化镓纳米片1分散在乙醇与水的混合溶液中，使用移液枪每次吸取20～80μL对微纳光纤2的锥区进行集成，同时向微纳光纤2中入射635nm波长的红光，多次重复上述步骤，每次集成间隔10～30分钟，直到微纳光纤2的透射率降到-2～-3dB或能产生较强二次谐波为止。
所述的硒化镓纳米片1为少层ε型硒化镓纳米片。
所述的硒化镓纳米片1横向尺寸大小为0.05～1μm，层数为1～10层。
所述的硒化镓纳米片1在微纳光纤2表面集成的长度小于5mm，平均厚度约为4nm。
所述的硒化镓纳米片1还可以替换为硒化铟纳米片、二硫化钨纳米片、二硫化钼纳米片等具有二阶非线性响应的二维材料。
本发明使用物理液相沉积的方法将硒化镓纳米片1集成在微纳光纤2上，微纳光纤2示意如图1，其上的硒化镓纳米片1分布如图2。
实施例1：参阅附图1、附图2、附图3和附图4，采用光纤火焰拉锥技术拉制所需的微纳光纤，在拉制过程中，控制拉制速度、火焰与光纤之间的距离、环境中气流扰动以及实验台振动等因素，才能拉制出符合要求的微纳光纤。按照此种拉制办法，可以保证所拉制的微纳光纤与普通单模光纤具有优异的兼容性和较低的传输损耗；在具体实施例1中，所拉制的微纳光纤的长度为5mm，直径为3.12μm，在750～800nm以及1500～1600nm波长范围内，集成硒化镓纳米片1后，传输损耗均小于3dB，这在器件上为产生较强的二次谐波准备了很好的条件。用1550nm皮秒脉冲激光器4提供泵浦光，脉冲激光拥有峰值功率较高的优点，可以激发很强的二次谐波。此外，1550nm皮秒脉冲激光器4所输出的光为线偏振光，所激发的二次谐波也是线偏振光，可以通过改变泵浦光的偏振态进而控制二次谐波的偏振态，从而增加了此种光频率转换器的应用灵活度与应用范围。
当使用1550nm皮秒脉冲激光器4提供泵浦光时，1550nm皮秒脉冲激光器4与单模光纤3的输入端相连，单模光纤3的输出端与光谱仪5相连，实验装置图如图3，探测到775nm的倍频光，如图4。
实施例2：参阅附图5，将附图3中的泵浦光源替换为连续激光，同样可以实现较强二次谐波的激发。
相比于脉冲激光作泵浦光，采用连续激光作泵浦光有诸多优点，例如：脉冲激光在时间上是离散的，根据傅里叶变换，脉冲在频域上会有一定的展宽，微小的频率差异将会引入色散，经过通信光纤长距离的传输，这一差异就会被放大，使得脉冲在时间上被展宽，当传输距离足够长，脉冲展宽效应将会使得两个时间上相邻的脉冲在空间上过度重合以至于无法分辨，这是通信系统中无法接受的。但采用连续激光作泵浦光就可以解决这一问题，连续激光在时间上是连续的，在频域便只包含极少的频率成分，从而具有很低的色散，弥补了脉冲激光的缺点。
当图3中1550nm皮秒脉冲激光器4被替换为1310nm连续光激光器6时，1310nm连续光激光器6与单模光纤3的输入端相连，单模光纤3的输出端与光谱仪5相连，探测到655nm的倍频光，如图5。
实施例3：参阅附图6，将附图3中的泵浦光源替换为波长可调谐连续激光时，可在较宽光谱范围内激发较强的二次谐波。
在微纳光纤锥区直径固定的条件下，通过数值仿真可知，虽然完全满足相位匹配条件的波长只有一个，但是由于泵浦光基模与二次谐波高阶模的模式折射率对波长的依赖较弱，使得在较大泵浦波长范围内相位失谐量较小，且所提出的光频率转换器激发二次谐波的过程为非谐振激发，所以泵浦光波长可以大波长范围调谐，从而可以在一定范围波长下均得到较强的二次谐波输出。
当附图3中1310nm连续光激光器6被替换为1500～1620nm的波长可调谐连续光激光器7时，1500～1620nm的波长可调谐连续光激光器7与单模光纤3的输入端相连，单模光纤3的输出端与光谱仪5相连。当1500～1620nm的波长可调谐连续光激光器7产生的泵浦光波长分别为1510nm、1542nm、1574nm、1606nm时，探测到755nm、771nm、787nm、803nm的倍频光，如图6。
实施例4：参阅附图7和附图8，利用波分复用器将不同频率的两束连续激光合束后作泵浦光，可以同时激发两个泵浦光各自的倍频光以及两束泵浦光的和频光。固定微纳光纤锥区直径3.12μm不变，数值模拟泵浦光基模以及二次谐波高阶模的模式折射率与波长的关系，可知1310～1620nm范围内模式折射率变化较小，由此造成的相位失谐也很小，因此以1310nm或1550nm波长的光单独作泵浦光都可以得到较强的二次谐波。若使用波分复用器将二者耦合到同一根光纤中，则会发生和频现象。
1310nm连续光激光器6及1500～1620nm的波长可调谐连续光激光器7与波分复用器8的输入端相连，波分复用器8的输出端与单模光纤3的输入端相连，单模光纤3的输出端与光谱仪5相连，实验装置图如图7，将1500～1620nm的波长可调谐连续光激光器7的波长设置为1550nm，同时得到如附图8所示的775nm、655nm的倍频光以及710nm的和频光。
Claims (7)
1.一种光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器，其特征在于硒化镓纳米片(1)、微纳光纤(2)和单模光纤(3)；微纳光纤(2)的两端为单模光纤(3)，微纳光纤(2)的中部为锥腰区域，表面集成有硒化镓纳米片(1)；所述的微纳光纤(2)的总长度为21～45mm，从两端到中央锥腰区域分别为均匀锥区的过渡区，过渡区长度为10～20mm，直径自125μm过渡至0.5～6μm，微纳光纤(2)中央锥腰区域直径为0.5～6μm的长度为0.5～5mm。
2.根据权利要求1所述光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器，其特征在于：所述过渡区包括两段相反方向的弧连接。
3.根据权利要求1所述光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器，其特征在于：所述硒化镓纳米片(1)采用少层ε型硒化镓纳米片。
4.根据权利要求3所述光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器，其特征在于：所述少层ε型硒化镓纳米片横向尺寸大小为0.05～1μm，层数为1～10层。
5.根据权利要求1或3或4所述光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器，其特征在于：所述硒化镓纳米片(1)采用硒化铟纳米片、二硫化钨纳米片或二硫化钼纳米片替代。
6.一种制备权利要求1～5所述任一项光纤集成层状硒化镓纳米片的光频率转换器的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、在单模光纤(3)中间拉制成微纳光纤(2)：在洁净室中，使用剥线钳去除单模光纤的涂覆层，并用酒精擦去残留物，使用氢氧焰进行加热，在温度为1100～1500摄氏度，进行拉制；其中：火焰上方与待拉制光纤的距离是0～3mm，拉制速度为7～20mm/s；
步骤2、在微纳光纤(2)集成硒化镓纳米片(1)：将硒化镓纳米片(1)分散在乙醇与水的混合溶液中，使用移液枪每次吸取20～80μL对微纳光纤(2)的锥区进行集成，同时向微纳光纤(2)中入射635nm波长的红光；
多次重复上述步骤，每次集成间隔10～30分钟，直到微纳光纤(2)的透射率降到-2～-3dB或能产生较强二次谐波为止。
7.根据权利要求6所述得到方法，其特征在于：所述硒化镓纳米片(1)采用硒化铟纳米片、二硫化钨纳米片或二硫化钼纳米片替代。
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