二氧化釩相變對太赫茲反諧振光纖諧振特性的影響及其應(yīng)用*

閆忠寶 孫帥 張帥 張堯 史偉 盛泉史朝督 張鈞翔 張貴忠 姚建銓

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院, 光電信息技術(shù)教育部重點實驗室, 天津 300072)

利用有限元分析軟件COMSOL模擬包層管內(nèi)壁涂敷有二氧化釩的太赫茲反諧振光纖, 研究二氧化釩的相變對反諧振光纖傳輸特性的影響.研究表明, 在太赫茲波段, 二氧化釩的相變會促使反諧振光纖的反諧振周期發(fā)生極大的改變, 在此過程中, 光纖包層管對入射光束的作用效果由反諧振狀態(tài)變?yōu)橹C振狀態(tài), 在不改變反諧振光纖結(jié)構(gòu)的情況下, 僅通過控制二氧化釩的相變即可實現(xiàn)對反諧振光纖纖芯中太赫茲波的有效調(diào)控.二氧化釩相變對反諧振光纖的這種調(diào)控效果在太赫茲調(diào)控器件領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用前景, 基于涂敷二氧化釩的反諧振光纖, 本文提出一種太赫茲光開關(guān)及一種偏振調(diào)控器.其中, 在波長為120 μm處, 光開關(guān)處于不同狀態(tài)時對應(yīng)的光纖損耗分別為0.5 dB/m與110 dB/m, 并且通過激勵光源誘導(dǎo)二氧化釩發(fā)生快速相變,有望實現(xiàn)快速光開關(guān).在偏振調(diào)控器中, 可以對反諧振光纖纖芯中太赫茲波的偏振狀態(tài)以及偏振方向進行控制, 偏振狀態(tài)下光纖的雙折射系數(shù)大于1.4 × 10-4.

1 引 言

太赫茲(terahertz, THz)波是頻率為0.1-10 THz的電磁波, 波長范圍為30-3000 μm, THz波在電磁波譜中處于微波與紅外光之間, 具有良好的光子學(xué)和電子學(xué)特性.THz波對非極性材料具有較高的穿透性、較低的光子能量[1], 因此在醫(yī)療[2]、無損檢測[3]等領(lǐng)域有很重要的學(xué)術(shù)價值, 此外THz波還具有寬帶寬和大通信容量等特性[1],可廣泛應(yīng)用于通信[4]、雷達探測[5]等領(lǐng)域.

近年來THz波技術(shù)發(fā)展迅速, 但目前THz波在應(yīng)用中仍以自由空間光路為主, 自由空間中THz波不易長距離傳輸, 傳輸方向也難以控制, 并且自由空間中THz波的傳輸通常會受到灰塵和水蒸汽的影響[6].為了實現(xiàn)THz波的高效傳輸, 科研工作者提出了多種THz波導(dǎo), 包括塑料光纖[7]、布拉格光纖[8]、光子晶體光纖[9]和反諧振光纖[6](antiresonant fiber, ARF)等.其中ARF利用反諧振效應(yīng)將入射光束限制在光纖中心的空氣孔內(nèi)進行傳輸, 以空氣為導(dǎo)光介質(zhì), 有很低的非線性效應(yīng)以及很高的損傷閾值.ARF因其結(jié)構(gòu)簡單、傳輸損耗低、損傷閾值高、色散低以及傳輸帶寬高而引起科研工作者的廣泛關(guān)注[10].

二氧化釩(vanadium, VO2)是一種具有相變性質(zhì)的金屬氧化物, 最大特點是在環(huán)境溫度達到68 ℃時, 會由單斜結(jié)構(gòu)的絕緣相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇Y(jié)構(gòu)的金屬相, 在這一過程中其電導(dǎo)率、介電常數(shù)等性質(zhì)都會發(fā)生劇烈變化[11].除改變環(huán)境溫度外, 利用光場、電場等外部激勵也可以實現(xiàn)VO2的相變, 尤其是利用光調(diào)控可以使VO2的相變速度達到皮秒量級[12].VO2的相變條件低且可控性強, 因而有很廣泛的應(yīng)用空間, 科研工作者將VO2集成至波導(dǎo)內(nèi)制成多種波導(dǎo)調(diào)控器件, 如硅波導(dǎo)振幅調(diào)制器[13]、基于硅波導(dǎo)的偏振調(diào)控器[14]、光觸發(fā)納米級存儲器[15]以及等離子體調(diào)制器[16]等.此外, 在近紅外波段, VO2與ARF的結(jié)合也表現(xiàn)出一定的調(diào)制效果, 2020年, Huang等[17]將VO2涂敷于ARF內(nèi)壁, 利用VO2的相變實現(xiàn)了1550 nm寬帶光調(diào)制器, 調(diào)制深度在60%以上.

VO2在THz波段同樣具有非常重要的應(yīng)用價值, 早在2006年, Jepsen等[18]實驗發(fā)現(xiàn), VO2發(fā)生相變時, 其對THz波的透過率會發(fā)生顯著的變化, 證明VO2可應(yīng)用于諸如光開關(guān)、調(diào)制器、偏振器等THz器件中.此后, 利用VO2的相變特性, 研究者們實現(xiàn)了多種THz波調(diào)控器件, 如有源寬帶THz偏振控制器[19]、寬帶THz超材料吸收器[20]、太赫茲編碼超表面[21]、可控開環(huán)諧振器[22]等.

本文利用有限元分析法研究包層管內(nèi)壁涂敷有VO2的反諧振光纖(VO2-coated ARF, VO2-ARF), 理論分析VO2相變對VO2-ARF傳輸特性的影響.研究VO2的電導(dǎo)率、薄膜厚度以及VO2-ARF包層管壁的厚度對VO2-ARF導(dǎo)光特性的影響.研究結(jié)果表明, VO2發(fā)生相變時, VO2-ARF的反諧振周期會發(fā)生顯著變化, ARF包層管對入射光束的作用效果由反諧振狀態(tài)變?yōu)橹C振狀態(tài), 在不改變ARF結(jié)構(gòu)的情況下, 僅通過控制VO2的相變便可以實現(xiàn)對ARF內(nèi)入射光的有效調(diào)控.基于這種原理, 本文提出了一種THz光開關(guān)以及一種偏振調(diào)控器, 并對其傳輸特性進行了研究.

2 VO2相變對VO2-ARF傳輸特性的影響

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用有限元分析軟件COMSOL設(shè)計包層管內(nèi)壁涂敷有VO2的ARF, 結(jié)構(gòu)如圖1所示, 該光纖由一定厚度的介質(zhì)外包層、均勻分布在外包層內(nèi)壁的6個包層管以及涂敷在包層管內(nèi)壁的VO2薄膜組成.光纖外包層壁厚T = 0.5 mm, 包層管直徑d = 1.3 mm, 壁厚t = 0.078 mm, 由反諧振條件計算得出, 其中λ為入射光波長,n1為光纖包層管及外包層的材料折射率, n0為空氣折射率, N為正整數(shù)，本文取N = 2.

圖1 VO2-ARF結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Cross-section diagram of VO2-ARF.

在VO2-ARF中，包層管內(nèi)壁涂敷有VO2,VO2薄膜厚度t0為1 μm, 如圖1中藍色部分所示,為了平衡光纖損耗與光纖的尺寸, 光纖纖芯直徑Dcore控制為2 mm.此光纖用于2.5 THz波的傳輸與調(diào)控, ARF主體材料為環(huán)烯烴共聚物(cyclic olefin copolymers, COC), COC是一種具有良好熱塑性和高機械強度的聚合物材料, 并且其在THz波段有較低的吸收損耗[23].ARF利用反諧振效應(yīng)將入射的THz波限制在中心空氣孔內(nèi)進行傳輸, 此時模場不依賴材料傳輸, 材料損耗遠小于限制損耗(confinement loss, CL), 光纖的傳輸損耗以CL為主, ARF中的CL由以下公式進行計算[24]:

其中f為入射光頻率, c為真空中的光速, Ni為有效折射率的虛部.

VO2的介電常數(shù)等參數(shù)可通過Drude模型進行計算[20], 在模擬仿真過程中, 以VO2的電導(dǎo)率σ表示其所處狀態(tài), VO2由絕緣相向金屬相的相變過程中, 電導(dǎo)率會從100 S/m增加至最高3 × 105S/m.

2.2 模擬結(jié)果

利用上述VO2-ARF結(jié)構(gòu), 研究VO2相變對VO2-ARF傳輸特性的影響.圖2(a)是VO2電導(dǎo)率不同時, VO2-ARF的損耗隨包層管壁厚度t的變化曲線.可以看出, 當(dāng)VO2電導(dǎo)率由100 S/m變?yōu)? × 105S/m, 即VO2發(fā)生相變時, VO2-ARF的反諧振周期發(fā)生分裂, 此時包層管對入射光束的作用效果由反諧振狀態(tài)變?yōu)橹C振狀態(tài), 光纖的損耗發(fā)生突變.例如, 在t = 78 μm處光纖的損耗由0.5 dB/m增加至100 dB/m以上, 在不改變光纖結(jié)構(gòu)的條件下, 僅控制VO2發(fā)生相變, 便可以實現(xiàn)對VO2-ARF損耗的控制.為了研究這種變化出現(xiàn)的原因, 對比了t = 78 μm時, 不同電導(dǎo)率下光纖的電磁損耗情況, 圖2(b)為光纖電磁損耗分布圖,可見, 光纖的電磁損耗主要集中在包層管壁處, 當(dāng)VO2電導(dǎo)率由100 S/m變?yōu)? × 105S/m時,包層管壁處的電磁損耗會有3個數(shù)量級以上的增加, 由此可知金屬相的VO2會產(chǎn)生很高的電磁損耗.

圖2 (a) VO2電導(dǎo)率σ不同時, 光纖的損耗隨包層管壁厚t的變化; (b) VO2-ARF電磁損耗分布Fig.2.(a) Confinement loss (CL) of VO2-ARF as a function of cladding tube wall thickness (t) under different conductivity of VO2(σ); (b) electromagnetic loss distribution of VO2-ARF.

進一步研究VO2的電導(dǎo)率與厚度對VO2-ARF反諧振周期的影響.VO2厚度t0= 1 μm時, 光纖的損耗隨VO2-ARF包層管壁厚度以及VO2電導(dǎo)率的變化如圖3(a)所示.可以看出, 隨著電導(dǎo)率的增加, 在t = 60 μm附近反諧振周期中開始出現(xiàn)額外的高損耗點, 并且該高損耗點隨著電導(dǎo)率的增加而右移, 損耗也隨之增加, 在這一過程中, 包層管對光束的作用效果由反諧振狀態(tài)變?yōu)橹C振狀態(tài).在VO2電導(dǎo)率增加的過程中, VO2會由最初的絕緣相向金屬相過渡, 當(dāng)電導(dǎo)率大于6 × 104S/m后, VO2由金屬相占主導(dǎo), 隨著電導(dǎo)率的繼續(xù)增加,高損耗點不再發(fā)生變化.

當(dāng)VO2電導(dǎo)率設(shè)置為最大值3 × 105S/m時,光纖損耗隨VO2-ARF包層管壁厚度以及VO2厚度的變化如圖3(b)所示.此時VO2為金屬相, 由圖3(b)可見, 當(dāng)VO2厚度較小時, VO2-ARF的反諧振周期并沒有受到VO2的影響, 較薄的VO2對VO2-ARF傳輸特性幾乎沒有影響, 其金屬相的性質(zhì)并沒有表現(xiàn)出來.隨著VO2厚度的增加, 在t = 65-80 μm范圍內(nèi), 反諧振周期中開始出現(xiàn)高損耗點, 并且高損耗點隨著VO2厚度的增加出現(xiàn)右移, 損耗也隨之增加, 當(dāng)VO2厚度大于160 nm后, 異常的高損耗點便不再受到VO2厚度的影響, 此時包層管對光束的作用效果為諧振狀態(tài).可見, 在ARF包層管內(nèi)壁涂敷一層厚度足夠的VO2,通過控制VO2的相變, 便可實現(xiàn)對ARF包層管反諧振狀態(tài)的調(diào)控, 利用該原理, 本文提出了一種基于VO2-ARF的THz光開關(guān)和一種偏振調(diào)控器.

圖3 (a) VO2-ARF的損耗隨包層管壁厚t以及VO2電導(dǎo)率σ的變化; (b) VO2-ARF損耗隨包層管壁厚t以及VO2厚度t0的變化Fig.3.Confinement loss (CL) of VO2-ARF as a function of cladding tube wall thickness (t) and the conductivity of VO2 (σ);(b) confinement loss (CL) of VO2-ARF as a function of cladding tube wall thickness (t) and the thickness of VO2 (t0).

3 基于VO2-ARF的THz器件

3.1 光開關(guān)

根據(jù)VO2相變調(diào)控VO2-ARF反諧振周期的原理, 本文提出了基于VO2-ARF的THz光開關(guān).光開關(guān)的三維結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示, 外包層壁厚T= 0.5 mm, 6個包層管均勻分布在外包層內(nèi)壁, 包層管內(nèi)徑d = 1.3 mm, 壁厚t = 0.078 mm, 包層管內(nèi)壁涂敷有VO2, 如圖4(a)中藍色部分所示,VO2厚度t0= 1 μm, 考慮到光纖的尺寸及損耗,控制纖芯直徑Dcore= 2 mm, 光開關(guān)長度為10 cm.利用光調(diào)控的方法, 可實現(xiàn)對VO2相變的高速調(diào)控, Liu等[12]利用800 nm的脈沖激光對VO2進行光激勵, 使其發(fā)生快速相變, 研究VO2的光學(xué)特性, 這一過程中800 nm脈沖激光會使VO2發(fā)生帶間躍遷, 改變其光學(xué)特性.根據(jù)上述研究, 本文采用波長為800 nm的脈沖激光器作為激勵光源, 脈沖寬度為納秒級, 激光能量密度不小于100 μJ/cm2,控制6個包層管處激勵光源分別入射至各包層管內(nèi), 使激勵光源能夠均勻輻照位于包層管內(nèi)部的VO2, 控制其相變情況.激勵光源的通斷對光纖損耗的影響如圖4(b)所示, 激勵光源關(guān)閉時, VO2為絕緣相, 此時光纖的損耗隨波長的變化如圖4(b)中黑色曲線所示, 光纖內(nèi)電場分布如圖4(c)所示,可見THz波被有效限制在纖芯中進行傳輸.激勵光源打開, 誘導(dǎo)VO2發(fā)生相變后, ARF的損耗在入射光波長接近120 μm時發(fā)生劇烈變化, 此時光纖中的電場分布如圖4(d)所示, 可見此時入射光與包層管壁發(fā)生強烈耦合, 致使光纖損耗急劇增加.對波長約為120 μm的入射光, 激勵光源打開與關(guān)閉狀態(tài)下的損耗分別為0.5 dB/m和110 dB/m,可見, 該光開關(guān)可實現(xiàn)對2.5 THz波有效的“開”與“關(guān)”的效果.

圖4 (a) 光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 光開關(guān)處于“開”、“關(guān)”狀態(tài)時, 光纖損耗隨波長λ的變化曲線; (c) 光開關(guān)為開狀態(tài)和(d)關(guān)狀態(tài)時的電場分布圖Fig.4.(a) Cross-section diagram of optical switch; (b) when the optical switch is on and off, confinement loss (CL) of ARF as a function of incident light wavelength (λ); electric field distribution diagram when optical switch is (c) on and (d) off.

3.2 偏振調(diào)控器

基于VO2-ARF的研究, 本文提出了如圖5(a)所示的偏振調(diào)控器, 外包層壁厚T = 0.5 mm, 4個包層管均勻分布在外包層內(nèi)壁, 分別命名為1, 2,3, 4, 包層管內(nèi)徑d = 2 mm, 壁厚t = 0.078 mm,

包層管內(nèi)壁涂敷有VO2, 如圖5(a)中藍色部分所示, VO2厚度t0= 1 μm, 控制纖芯直徑Dcore=2 mm, 光纖入射光為2.5 THz波.與光開關(guān)相同,偏振調(diào)控器同樣使用波長為800 nm脈沖激光誘導(dǎo)VO2發(fā)生相變, 從而達到調(diào)控效果.分別控制光纖4個包層管內(nèi)部激勵光源的通斷以控制不同包層管內(nèi)VO2的相變情況, 使光纖的不同偏振方向處于不同的諧振狀態(tài), 因而光纖不同偏振方向的有效折射率及損耗會產(chǎn)生很大的差別, 入射的THz波會轉(zhuǎn)變?yōu)槠窆? 且偏振方向可控.

圖5 (a) 偏振調(diào)控器結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 光纖實現(xiàn)偏振光傳輸時, 光纖不同偏振方向的有效折射率隨激勵光源光通量的變化曲線;(c) 光纖實現(xiàn)偏振光傳輸時, 光纖不同偏振方向的損耗隨激勵光源光通量的變化曲線Fig.5.(a) Cross-section diagram of polarization controller; (b) effective refractive index (neff) and (c) confinement loss (CL) of ARF in orthogonal polarization directions as a function of excitation fluences of the excitation laser when ARF realizes the polarized transmission.

將包層管1, 2內(nèi)激勵光源打開, 同時關(guān)閉3,4內(nèi)激勵光源時, 此時x, y偏振方向光纖的有效折射率與損耗隨激勵光源光通量的變化如圖5(b)和圖5(c)所示, 在光通量較低時, VO2為絕緣相, 可見此時光纖不同偏振方向的有效折射率與損耗幾乎無差別.隨著包層管1, 2內(nèi)激勵光源光通量的增加, 光纖的雙折射系數(shù)Δn (Δ n=|ny-nx|)逐漸增加, 當(dāng)光通量大于700 μJ/cm2時, VO2徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傧? 此時Δn達到最大, 為1.4 × 10-4.隨著光通量的增加, x偏振方向的損耗急劇增加,同時y偏振方向的損耗也有所增加, 但遠小于x偏振方向的損耗.可見, 控制包層管1, 2內(nèi)激勵光源打開且光通量達到700 μJ/cm2以上, 包層管3, 4內(nèi)激勵光源關(guān)閉, 偏振調(diào)控器可使入射的THz波變?yōu)閥方向偏振光, 雙折射系數(shù)Δn可達到1.4 ×10-4; 同理, 包層管1, 2內(nèi)激勵光源關(guān)閉, 3, 4內(nèi)激勵光源打開時, 可以實現(xiàn)x偏振方向的偏振光傳輸.

4 總 結(jié)

本文利用有限元分析法理論研究VO2相變對VO2-ARF傳輸特性的影響.研究結(jié)果表明, 在2.5 THz波段, VO2的相變會促使VO2-ARF的反諧振周期發(fā)生突變, VO2相變前后, VO2-ARF包層管對入射光束的作用效果會由反諧振狀態(tài)變?yōu)橹C振狀態(tài), 從而使光纖的損耗急劇增加.此外, 研究發(fā)現(xiàn)VO2的電導(dǎo)率大小以及薄膜厚度對這一調(diào)控現(xiàn)象有很大的影響, 在ARF包層管內(nèi)壁涂敷一層厚度足夠的VO2, 通過控制VO2的相變, 便可實現(xiàn)對ARF包層管反諧振狀態(tài)的調(diào)控.在此基礎(chǔ)上,提出基于VO2-ARF的THz光開關(guān), 光開關(guān)處于“開”、“關(guān)”狀態(tài)時對應(yīng)的光纖損耗分別為0.5 dB/m與110 dB/m; 此外, 本文提出基于VO2-ARF的THz偏振調(diào)控器, 分別控制偏振調(diào)控器不同包層管內(nèi)激勵光源的通斷, 可以對VO2-ARF纖芯中入射光的偏振狀態(tài)以及偏振方向進行調(diào)控, 偏振狀態(tài)下光纖的雙折射系數(shù)Δn可達到1.4 × 10-4.