基于气体填充空芯光纤的中红外全光调制器

  在过去的十多年里，光子学在近红外（NIR）和中红外（MIR）波长的功能器件方面展现出广阔的应用前景，引起了众多研究人员的兴趣。其中，光调制器具有信号开关、路由切换、数据编码、相敏探测等功能，是光子链路和传感领域的重要组成器件。MIR调制器具有非常广泛的应用价值，比如物质成分分析、环境污染监测、化学和生物传感、工业过程控制、多光谱热成像和早期疾病的医学诊断等。现有的中红外光调制器主要采用波导集成方式，其工作机制通常分为以下几种：热光效应、电光效应、自由载流子色散效应、电吸收效应以及声光效应等。对于自由空间光调制器而言，通常使用超材料、杂化结构和模式结构来增强光与物质相互作用以获得更高的调制效率。片上集成器件由于其灵活的波导几何形状和CMOS兼容性引起了广泛的关注。因为晶体材料在中红外波段的本征吸收特性，大部分基于绝缘体上硅或铌酸锂的波导集成调制器主要用于近红外区域。尽管其具有尺寸小等优势，但目前报道的该类器件仍存在工作波段窄、调制消光比低等问题。

图1 全光调制器原理图

  为了解决这一问题，香港理工大学靳伟教授所带领的研究团队近日成功开发了一种基于空芯光纤中乙炔气体光热效应的中红外全光调制器，可实现从近红外到中红外波段超宽带的相位和强度调制。该成果以“Mid-infrared all-optical modulators based on an acetylene-filled hollow-core fiber”为题发表在 Light: Advanced Manufacturing （DOI: 10.37188/lam.2022.050）。

图2 基于气体填充空芯光纤的全光调制器示意图

  研究人员展示了空芯光纤全光调制器在中红外波段的相位调制性能。他们利用乙炔（C2H2）填充的反谐振中空芯光纤（AR-HCF）中的光热（PT）效应实现MIR相位调制的新方法。填充气体的中芯光纤中的PT效应已被利用于超灵敏的气体检测。

  HCF的泵浦和探针与气体材料的长距离相互作用和近乎完美的重叠显著增强了光-气相互作用，使得相位调制幅度更大，因此比自由空间光系统更好的气敏性。研究人员进一步将填充气体的HCF中的PT效应的应用范围扩展到全光MIR调制器。

  与波导型调制器和自由空间光调制器不同，PT MIR相位调制器是由近红外通信波段的高性价比控制激光驱动的。通过将相位调制器（PM）置于马赫-曾德干涉仪（MZI）的一只臂上，进一步演示了MIR强度调制（IM）。AR-HFF本质上具有宽带传输，加上气体材料的窄吸收线，将空芯光纤扩展到了中红外调制器件领域，气体填充的空芯光纤也被证明可作为有效的平台以实现更多更新的光子学功能。