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进展23年18期内封面：小体积、高性能：光控太赫兹光纤调制器
小体积、高性能：光控太赫兹光纤调制器
《激光与光电子学进展》于2023年第18期（9月）推出“太赫兹波前获取与调控”专题，暨南大学关贺元教授课题组特邀研究论文“新型光控砷化镓/侧边抛磨太赫兹光纤调制器”被选为当期的封面文章。
封面解读
本封面揭示了新型光控侧边抛磨太赫兹光纤调制器的工作原理。侧边抛磨光纤有效增强了太赫兹波倏逝场与砷化镓相互作用，在外置 808 nm 激光器照射下实现对输出太赫兹波幅度的调制，调制深度达到 97.4%。同时，该器件体积小、集成度高，具有广泛应用潜力。
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1 研究背景
太赫兹的范围被定义为电磁频谱的一部分，通常是指从0.1 THz到10 THz的频率范围（对应于真空波长从3 mm到30 μm），这个光谱区域与电子学和光子学之间的长度相重合，是从电子学向光子学过渡的领域。在太赫兹技术的发展中，太赫兹调制器作为关键元件之一，起着重要的作用。
太赫兹波幅度调制是指使用调制信号来控制太赫兹幅度的过程。近些年来，已经有科研团队使用不同材料与微纳结构来制备太赫兹调制器，以提升调制深度、调制速度、调制带宽。但是，获得体积小巧，性能优越的太赫兹幅度调制器依然是个难题。
针对上述问题，课题组提出了一种新型光控砷化镓（GaAs）/侧边抛磨太赫兹光纤（Side-Polished Terahertz Fiber，SPTF）调制器，将太赫兹光纤进行侧边抛磨，在侧抛平坦区上转移砷化镓薄膜（350 μm）形成光控可调制的媒质区域，最后施加外置泵浦光进行调制。将新型光控 GaAs/SPTF 调制器与目前报道的光控太赫兹调制器相比较，该器件在低泵浦光功率下具有较高的调制深度，在太赫兹通讯、成像和安全检测等领域具有广阔的应用前景。
课题组从理论仿真和实验对提出的太赫兹调制器的性能进行了论证。
2 理论仿真
在本研究中建立的太赫兹光纤模型来源于中国科学院西安光学精密机械研究所研发的光子晶体光纤。在本研究中建立的太赫兹光纤模型如图1所示。光纤白色部分为空气孔，剩余部分为COC材料，中间小孔相当于“纤芯”，大孔相当于“包层”，具体尺寸如下：D = 114 μm，d = 45 μm，p = 120 μm，H = 1667 μm，Dout = 2.5 mm。
图1 微结构太赫兹光纤模型结构示意图
限制损耗（Confinement Loss，CL）是光子晶体光纤特有的损耗性质，它的计算公式如下：
其中f表示频率，c表示光速，Im(neff)表示基模的有效折射率虚部。
根据砷化镓材料的光调谐特性，808 nm激光照射下，不同的激光功率作用下砷化镓材料的载流子浓度和迁移率会发生变化，进而影响电导率的改变。因此，在仿真中可以直接设置不同的电导率来模拟不同功率泵浦光的作用。本研究以每层小气孔为间隔，采用有限元分析方法仿真了将光纤侧抛三层小空气孔并在侧抛面转移厚度350 μm的N型砷化镓的结构，如下图 2（a）所示。
图2 集成砷化镓后的侧边抛磨太赫兹光纤仿真结果。（a）GaAs/SPTF模型示意图和模场图；在侧抛三层小气孔，不同砷化镓电导率下：（b）器件限制损耗和（c）限制损耗差值变化
从图2(b)可以看出随着砷化镓的电导率的增加，GaAs/SPTF的限制损耗不断增加，这是因为砷化镓电导率的增加会引起太赫兹波吸收的增强。但是由于限制损耗值差距比较小，为了更加直观地对比采用限制损耗差值ΔL=CLwithout GaAs-CLwith GaAs，即未加砷化镓与添加砷化镓的限制损耗差值。根据公式计算得到限制损耗差值图2（c），随着砷化镓电导率的增加，限制损耗差值降低，吸收太赫兹能力增强。
3 器件制备与测试
在本研究中对制备的侧边抛磨太赫兹光纤调制器进行调制深度性能测试，测试采用太赫兹时域光谱仪技术(THz-Time Domain Spectrometer，THz-TDS)，光路为透射式，使用的太赫兹时域光谱仪型号为QT-TS1000（青岛青源峰达太赫兹科技有限公司）。图 3为器件调制深度测试系统的示意图。
图3 调制深度测试系统结构示意图
调制深度是幅度调制的重要性能指标，由下式给出：
其中，Tmax(OFF)为未加泵浦光器件的频域谱，Tmin(OFF)为施加泵浦光时器件的频域谱。
实验中测试了1.55 mm，1.72 mm，1.80 mm，2.05 mm四种不同侧边抛磨剩余厚度的GaAs/SPTF。最大调制深度最高的GaAs/SPTF侧边抛磨剩余厚度为1.80 mm，外置808 nm激光器通过调节电流大小控制输出光功率在186~488 mW，测试的结果如图 4所示。
图4 侧抛剩余厚度为1.80 mm的GaAs/SPTF测试结果。（a）不同激光功率下时域谱；（b）不同激光功率下频域谱；（c）不同激光功率下调制深度谱；（d）在0.61 THz处调制深度与激光功率对应关系，圆形表示测试数据点，直线表示数据的线性拟合
从图4（a）和（b）中可以看出，随着外置808 nm激光器的功率增强，时域谱和频域谱的强度出现明显下降，波峰位置也发生左移。在808 nm泵浦光的作用下，光子能量与砷化镓的带隙能量相匹配，吸收一定能量的光子后有效的激发电子从价带跃迁到导带从而形成自由载流子，然后这些载流子会以扩散形式传递。随着激光功率的不断增加，当光掺杂浓度越高的时候，载流子数量越多，导致透射就越低。通过计算得到调制深度谱图4（c），当外置激光功率为488 mW时，在0.61 THz处调制深度达到97.4%，带宽为0.08 THz，拟合出的调制深度随激光功率的变化相关系数R2为0.96。
与其他光控太赫兹调制器进行对比，结果如图 5所示，其中正方块表示硅基太赫兹调制器[1-6]，菱形块表示锗基太赫兹调制器[7]，圆形表示基于二硫化钼的太赫兹调制器[8]，上三角形为基于二硫化钨的太赫兹调制器[9,10]，下三角形表示基于砷化镓的太赫兹调制器[11]，五角星为新型光控GaAs/SPTF调制器。从图中可以看出我们设计并制备的太赫兹调制器在较低激光功率作用下实现了高调制深度（越往左上角器件的调制效果越好）。
图5 新型光控GaAs/SPTF调制器与其他光控太赫兹调制器调制效果对比
4 总结
本文设计了一种新型光控GaAs/SPTF调制器，通过对侧边抛磨光纤产生倏逝场原理分析和砷化镓材料的光调谐特性研究，从而实现了对太赫兹波的动态调制分析。使用的光纤材料为聚合物，因此采用轮式抛磨法对太赫兹光纤进行侧边抛磨，将砷化镓片切割成合适尺寸并通过器件集成平台转移到侧抛平坦区。实验结果表明，制备的器件在外置808 nm激光器的作用下，最高调制深度为97.4%。将新型光控GaAs/SPTF调制器与目前报道的光控太赫兹调制器相比较，该器件在低泵浦光功率下具有较高的调制深度，在太赫兹通讯、成像和安全检测等领域具有广阔的应用前景。
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通讯作者简介
关贺元，暨南大学，教授，博士生导师。广东省科协“青年科技人才”，“暨南双百英才计划”暨南杰青，《光学学报》青年编委，广东省光学学会光学薄膜专业委员会副主任，中国光学学会光学材料青年委员会委员等。主要面向国家重大工程的需求，聚焦光与薄膜/光栅相互作用机理，研究薄膜/光栅对“光-电”协同作用的增强效应及其光电器件。已发表SCI论文100余篇，其中一区或学科权威期刊近20篇，拥有授权发明专利6项。主持国家级项目6项，省部级项目6项以及厅局级项目3项。参与国家重大专项、中科院重点专项、广东省重大专项等多个项目的研究。受邀在国际学术会议如光子学与电磁学研究会议（PIERS），第三届特种光电功能材料与器件应用会议、第一届高功率激光基础科学与前沿技术学术交流会等做专家邀请报告10余次。担任多个光学期刊审稿人（Photonics Research, Advanced Optical Materials, Optics Express, Optics Letters等）。指导学生获国家级奖5项，省部级奖10项，厅局级奖10项，获第十五届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛优秀指导教师，首届全国高校教师教学创新大赛广东分赛暨广东省高校教师教学创新大赛一等奖，暨南大学本科教学校长奖3次，暨南大学教学成果奖特等奖，暨南大学教学成果奖一等奖，主持教学改革项目1项。联系方式：ttguanheyuan@jnu.edu.cn