[发明专利]一种基于黑磷材料的全光相位调制器及其应用

说明书

本发明提供了一种基于黑磷材料的全光相位调制器，包括信号光源、泵浦光源、第一耦合器、调制臂、参考臂和第二耦合器；信号光源和泵浦光源分别用于产生信号光和泵浦光；其中一路信号光与泵浦光共同输入调制臂进行处理，另一路信号光输入参考臂进行处理；调制臂包括黑磷‑光纤复合结构，黑磷‑光纤复合结构包括功能化光纤和设置在功能化光纤上的黑磷材料层，经过黑磷‑光纤复合结构处理的一路信号光和通过参考臂处理的另一路信号光同时进入第二耦合器中用于使两路信号光会合并发生干涉。本发明提供的全光相位调制器实现了低损耗、宽带宽的全光域内的光调制和信息加载，可应用于全光相移器、全光强度调制器、全光信号加载器或负逻辑系统领域。

技术领域

本发明涉及全光通信和全光信息处理领域，具体涉及一种基于黑磷材料的全光相位调制器及其应用。

背景技术

随着通信容量和信息处理速度的不断提升，传统的电调制器由于其带宽有限，功耗大等缺点，已经无法满足日益增长的通信需求。而光调制器可以将调制信号加载到光波的振幅、相位、偏振或波长等参数上，由于其带宽较宽，速度较快，因此成为光通信系统和光信息处理领域中的关键器件。目前光调制器主要有电光调制器和全光调制器，其中全光调制器是通过一束光来控制另一束光的通断或转换，它完全工作于光子学范畴中，而不需要外界施加电、热、磁等物理影响，并且可以在光纤或波导结构中实现超快、低损耗和宽带宽的信号加载，因此受到了越来越多的关注和研究。

全光调制器根据信号光的被控参量可以分为强度调制器、相位调制器和波长转换器等，根据工作机理可以分为基于材料的饱和吸收特性、光学克尔效应、热光效应、四波混频效应和空间自相位调制等。其中，相位调制器能够获得更高的整体透过率和更大的调制深度，并且基于热光效应的相位调制器具有操作简单，全光纤化等优点。

目前有文章分别报道了基于石墨烯材料和过渡金属硫族化物MoS₂的热光效应的全光相位调制器。由于石墨烯的能带结构是一个零带隙的狄拉克锥，具有宽带吸收的特点，因此对信号光的损耗比较大，不适合用于相位型光器件。而MoS₂只有在单层时才是直接带隙半导体，而块体和少层时均为间接带隙半导体，并且光响应主要为可见光波段，这就限制了其在红外波段尤其是光通信波段的应用。此外，MoS₂也具有较强的光吸收，因此会引入较大的插入损耗。

因此，有必要提供一种新的全光相位调制器。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于黑磷材料的全光相位调制器，目的是为了实现低损耗、宽带宽的全光域内的光调制和信息加载。

本发明第一方面提供了一种基于黑磷材料的全光相位调制器，包括信号光源、泵浦光源、第一耦合器、调制臂、参考臂以及与所述调制臂和所述参考臂连接的第二耦合器；

所述第一耦合器包括输入端、A输出端和B输出端，所述输入端与所述信号光源连接，所述A输出端与所述调制臂连接，所述B输出端与所述参考臂连接；所述信号光源和泵浦光源分别用于产生信号光和泵浦光；所述信号光通过所述输入端进入所述第一耦合器，所述第一耦合器用于将所述信号光分成两路；其中一路信号光通过所述A输出端与所述泵浦光共同输入所述调制臂进行处理，另一路信号光通过所述B输出端输入所述参考臂进行处理；所述调制臂包括黑磷-光纤复合结构，所述黑磷-光纤复合结构包括功能化光纤和设置在所述功能化光纤上的黑磷材料层，所述黑磷-光纤复合结构用于吸收所述泵浦光产生热量，通过热光效应改变所述信号光的相位；经过所述黑磷-光纤复合结构处理的一路信号光和经过所述参考臂处理的另一路信号光同时进入第二耦合器中用于使两路信号光会合并发生干涉。

其中，所述功能化光纤包括微纳光纤、D形光纤或光纤头。

其中，所述黑磷材料层中包括经共价功能化的、表面配位的、保护性封装的、金属离子修饰的或氟化的黑磷材料。

其中，所述黑磷材料层中包括黑磷纳米薄片，所述黑磷纳米薄片的厚度为0.5-5nm。