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。

文章链接

徐成, 韩鑫洋, 骆震阳, 杨铁锋, 孔德鹏, 陈立均, 吴岱, 李鹏, 徐利民, 吴衡, 卢惠辉, 陈哲, 关贺元. 新型光控砷化镓/侧边抛磨太赫兹光纤调制器[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(18): 1811003.

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，D_out = 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(n_eff)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=CL_{without GaAs}-CL_{with 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。