二氧化钒相变对太赫兹反谐振光纤谐振特性的影响及其应用*

闫忠宝 孙帅 张帅 张尧 史伟 盛泉史朝督 张钧翔 张贵忠 姚建铨

(天津大学精密仪器与光电子工程学院, 光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072)

利用有限元分析软件COMSOL模拟包层管内壁涂敷有二氧化钒的太赫兹反谐振光纤, 研究二氧化钒的相变对反谐振光纤传输特性的影响.研究表明, 在太赫兹波段, 二氧化钒的相变会促使反谐振光纤的反谐振周期发生极大的改变, 在此过程中, 光纤包层管对入射光束的作用效果由反谐振状态变为谐振状态, 在不改变反谐振光纤结构的情况下, 仅通过控制二氧化钒的相变即可实现对反谐振光纤纤芯中太赫兹波的有效调控.二氧化钒相变对反谐振光纤的这种调控效果在太赫兹调控器件领域有很广泛的应用前景, 基于涂敷二氧化钒的反谐振光纤, 本文提出一种太赫兹光开关及一种偏振调控器.其中, 在波长为120 µm处, 光开关处于不同状态时对应的光纤损耗分别为0.5 dB/m与110 dB/m, 并且通过激励光源诱导二氧化钒发生快速相变,有望实现快速光开关.在偏振调控器中, 可以对反谐振光纤纤芯中太赫兹波的偏振状态以及偏振方向进行控制, 偏振状态下光纤的双折射系数大于1.4 × 10-4.

1 引 言

太赫兹(terahertz, THz)波是频率为0.1-10 THz的电磁波, 波长范围为30-3000 µm, THz波在电磁波谱中处于微波与红外光之间, 具有良好的光子学和电子学特性.THz波对非极性材料具有较高的穿透性、较低的光子能量[1], 因此在医疗[2]、无损检测[3]等领域有很重要的学术价值, 此外THz波还具有宽带宽和大通信容量等特性[1],可广泛应用于通信[4]、雷达探测[5]等领域.

近年来THz波技术发展迅速, 但目前THz波在应用中仍以自由空间光路为主, 自由空间中THz波不易长距离传输, 传输方向也难以控制, 并且自由空间中THz波的传输通常会受到灰尘和水蒸汽的影响[6].为了实现THz波的高效传输, 科研工作者提出了多种THz波导, 包括塑料光纤[7]、布拉格光纤[8]、光子晶体光纤[9]和反谐振光纤[6](antiresonant fiber, ARF)等.其中ARF利用反谐振效应将入射光束限制在光纤中心的空气孔内进行传输, 以空气为导光介质, 有很低的非线性效应以及很高的损伤阈值.ARF因其结构简单、传输损耗低、损伤阈值高、色散低以及传输带宽高而引起科研工作者的广泛关注[10].

二氧化钒(vanadium, VO2)是一种具有相变性质的金属氧化物, 最大特点是在环境温度达到68 ℃时, 会由单斜结构的绝缘相转变为四方结构的金属相, 在这一过程中其电导率、介电常数等性质都会发生剧烈变化[11].除改变环境温度外, 利用光场、电场等外部激励也可以实现VO2的相变, 尤其是利用光调控可以使VO2的相变速度达到皮秒量级[12].VO2的相变条件低且可控性强, 因而有很广泛的应用空间, 科研工作者将VO2集成至波导内制成多种波导调控器件, 如硅波导振幅调制器[13]、基于硅波导的偏振调控器[14]、光触发纳米级存储器[15]以及等离子体调制器[16]等.此外, 在近红外波段, VO2与ARF的结合也表现出一定的调制效果, 2020年, Huang等[17]将VO2涂敷于ARF内壁, 利用VO2的相变实现了1550 nm宽带光调制器, 调制深度在60%以上.

VO2在THz波段同样具有非常重要的应用价值, 早在2006年, Jepsen等[18]实验发现, VO2发生相变时, 其对THz波的透过率会发生显著的变化, 证明VO2可应用于诸如光开关、调制器、偏振器等THz器件中.此后, 利用VO2的相变特性, 研究者们实现了多种THz波调控器件, 如有源宽带THz偏振控制器[19]、宽带THz超材料吸收器[20]、太赫兹编码超表面[21]、可控开环谐振器[22]等.

本文利用有限元分析法研究包层管内壁涂敷有VO2的反谐振光纤(VO2-coated ARF, VO2-ARF), 理论分析VO2相变对VO2-ARF传输特性的影响.研究VO2的电导率、薄膜厚度以及VO2-ARF包层管壁的厚度对VO2-ARF导光特性的影响.研究结果表明, VO2发生相变时, VO2-ARF的反谐振周期会发生显著变化, ARF包层管对入射光束的作用效果由反谐振状态变为谐振状态, 在不改变ARF结构的情况下, 仅通过控制VO2的相变便可以实现对ARF内入射光的有效调控.基于这种原理, 本文提出了一种THz光开关以及一种偏振调控器, 并对其传输特性进行了研究.

2 VO2相变对VO2-ARF传输特性的影响

2.1 结构设计

利用有限元分析软件COMSOL设计包层管内壁涂敷有VO2的ARF, 结构如图1所示, 该光纤由一定厚度的介质外包层、均匀分布在外包层内壁的6个包层管以及涂敷在包层管内壁的VO2薄膜组成.光纤外包层壁厚T = 0.5 mm, 包层管直径d = 1.3 mm, 壁厚t = 0.078 mm, 由反谐振条件计算得出, 其中λ为入射光波长,n1为光纤包层管及外包层的材料折射率, n0为空气折射率, N为正整数，本文取N = 2.

图1 VO2-ARF结构示意图Fig.1.Cross-section diagram of VO2-ARF.

在VO2-ARF中，包层管内壁涂敷有VO2,VO2薄膜厚度t0为1 µm, 如图1中蓝色部分所示,为了平衡光纤损耗与光纤的尺寸, 光纤纤芯直径Dcore控制为2 mm.此光纤用于2.5 THz波的传输与调控, ARF主体材料为环烯烃共聚物(cyclic olefin copolymers, COC), COC是一种具有良好热塑性和高机械强度的聚合物材料, 并且其在THz波段有较低的吸收损耗[23].ARF利用反谐振效应将入射的THz波限制在中心空气孔内进行传输, 此时模场不依赖材料传输, 材料损耗远小于限制损耗(confinement loss, CL), 光纤的传输损耗以CL为主, ARF中的CL由以下公式进行计算[24]:

其中f为入射光频率, c为真空中的光速, Ni为有效折射率的虚部.

VO2的介电常数等参数可通过Drude模型进行计算[20], 在模拟仿真过程中, 以VO2的电导率σ表示其所处状态, VO2由绝缘相向金属相的相变过程中, 电导率会从100 S/m增加至最高3 × 105S/m.

2.2 模拟结果

利用上述VO2-ARF结构, 研究VO2相变对VO2-ARF传输特性的影响.图2(a)是VO2电导率不同时, VO2-ARF的损耗随包层管壁厚度t的变化曲线.可以看出, 当VO2电导率由100 S/m变为3 × 105S/m, 即VO2发生相变时, VO2-ARF的反谐振周期发生分裂, 此时包层管对入射光束的作用效果由反谐振状态变为谐振状态, 光纤的损耗发生突变.例如, 在t = 78 µm处光纤的损耗由0.5 dB/m增加至100 dB/m以上, 在不改变光纤结构的条件下, 仅控制VO2发生相变, 便可以实现对VO2-ARF损耗的控制.为了研究这种变化出现的原因, 对比了t = 78 µm时, 不同电导率下光纤的电磁损耗情况, 图2(b)为光纤电磁损耗分布图,可见, 光纤的电磁损耗主要集中在包层管壁处, 当VO2电导率由100 S/m变为3 × 105S/m时,包层管壁处的电磁损耗会有3个数量级以上的增加, 由此可知金属相的VO2会产生很高的电磁损耗.

图2 (a) VO2电导率σ不同时, 光纤的损耗随包层管壁厚t的变化; (b) VO2-ARF电磁损耗分布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.

进一步研究VO2的电导率与厚度对VO2-ARF反谐振周期的影响.VO2厚度t0= 1 µm时, 光纤的损耗随VO2-ARF包层管壁厚度以及VO2电导率的变化如图3(a)所示.可以看出, 随着电导率的增加, 在t = 60 µm附近反谐振周期中开始出现额外的高损耗点, 并且该高损耗点随着电导率的增加而右移, 损耗也随之增加, 在这一过程中, 包层管对光束的作用效果由反谐振状态变为谐振状态.在VO2电导率增加的过程中, VO2会由最初的绝缘相向金属相过渡, 当电导率大于6 × 104S/m后, VO2由金属相占主导, 随着电导率的继续增加,高损耗点不再发生变化.

当VO2电导率设置为最大值3 × 105S/m时,光纤损耗随VO2-ARF包层管壁厚度以及VO2厚度的变化如图3(b)所示.此时VO2为金属相, 由图3(b)可见, 当VO2厚度较小时, VO2-ARF的反谐振周期并没有受到VO2的影响, 较薄的VO2对VO2-ARF传输特性几乎没有影响, 其金属相的性质并没有表现出来.随着VO2厚度的增加, 在t = 65-80 µm范围内, 反谐振周期中开始出现高损耗点, 并且高损耗点随着VO2厚度的增加出现右移, 损耗也随之增加, 当VO2厚度大于160 nm后, 异常的高损耗点便不再受到VO2厚度的影响, 此时包层管对光束的作用效果为谐振状态.可见, 在ARF包层管内壁涂敷一层厚度足够的VO2,通过控制VO2的相变, 便可实现对ARF包层管反谐振状态的调控, 利用该原理, 本文提出了一种基于VO2-ARF的THz光开关和一种偏振调控器.

图3 (a) VO2-ARF的损耗随包层管壁厚t以及VO2电导率σ的变化; (b) VO2-ARF损耗随包层管壁厚t以及VO2厚度t0的变化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 光开关

根据VO2相变调控VO2-ARF反谐振周期的原理, 本文提出了基于VO2-ARF的THz光开关.光开关的三维结构如图4(a)所示, 外包层壁厚T= 0.5 mm, 6个包层管均匀分布在外包层内壁, 包层管内径d = 1.3 mm, 壁厚t = 0.078 mm, 包层管内壁涂敷有VO2, 如图4(a)中蓝色部分所示,VO2厚度t0= 1 µm, 考虑到光纤的尺寸及损耗,控制纤芯直径Dcore= 2 mm, 光开关长度为10 cm.利用光调控的方法, 可实现对VO2相变的高速调控, Liu等[12]利用800 nm的脉冲激光对VO2进行光激励, 使其发生快速相变, 研究VO2的光学特性, 这一过程中800 nm脉冲激光会使VO2发生带间跃迁, 改变其光学特性.根据上述研究, 本文采用波长为800 nm的脉冲激光器作为激励光源, 脉冲宽度为纳秒级, 激光能量密度不小于100 µJ/cm2,控制6个包层管处激励光源分别入射至各包层管内, 使激励光源能够均匀辐照位于包层管内部的VO2, 控制其相变情况.激励光源的通断对光纤损耗的影响如图4(b)所示, 激励光源关闭时, VO2为绝缘相, 此时光纤的损耗随波长的变化如图4(b)中黑色曲线所示, 光纤内电场分布如图4(c)所示,可见THz波被有效限制在纤芯中进行传输.激励光源打开, 诱导VO2发生相变后, ARF的损耗在入射光波长接近120 µm时发生剧烈变化, 此时光纤中的电场分布如图4(d)所示, 可见此时入射光与包层管壁发生强烈耦合, 致使光纤损耗急剧增加.对波长约为120 µm的入射光, 激励光源打开与关闭状态下的损耗分别为0.5 dB/m和110 dB/m,可见, 该光开关可实现对2.5 THz波有效的“开”与“关”的效果.

图4 (a) 光开关结构示意图; (b) 光开关处于“开”、“关”状态时, 光纤损耗随波长λ的变化曲线; (c) 光开关为开状态和(d)关状态时的电场分布图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 偏振调控器

基于VO2-ARF的研究, 本文提出了如图5(a)所示的偏振调控器, 外包层壁厚T = 0.5 mm, 4个包层管均匀分布在外包层内壁, 分别命名为1, 2,3, 4, 包层管内径d = 2 mm, 壁厚t = 0.078 mm,

包层管内壁涂敷有VO2, 如图5(a)中蓝色部分所示, VO2厚度t0= 1 µm, 控制纤芯直径Dcore=2 mm, 光纤入射光为2.5 THz波.与光开关相同,偏振调控器同样使用波长为800 nm脉冲激光诱导VO2发生相变, 从而达到调控效果.分别控制光纤4个包层管内部激励光源的通断以控制不同包层管内VO2的相变情况, 使光纤的不同偏振方向处于不同的谐振状态, 因而光纤不同偏振方向的有效折射率及损耗会产生很大的差别, 入射的THz波会转变为偏振光, 且偏振方向可控.

图5 (a) 偏振调控器结构示意图; (b) 光纤实现偏振光传输时, 光纤不同偏振方向的有效折射率随激励光源光通量的变化曲线;(c) 光纤实现偏振光传输时, 光纤不同偏振方向的损耗随激励光源光通量的变化曲线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.

将包层管1, 2内激励光源打开, 同时关闭3,4内激励光源时, 此时x, y偏振方向光纤的有效折射率与损耗随激励光源光通量的变化如图5(b)和图5(c)所示, 在光通量较低时, VO2为绝缘相, 可见此时光纤不同偏振方向的有效折射率与损耗几乎无差别.随着包层管1, 2内激励光源光通量的增加, 光纤的双折射系数Δn (Δ n=|ny-nx|)逐渐增加, 当光通量大于700 µJ/cm2时, VO2彻底转变为金属相, 此时Δn达到最大, 为1.4 × 10-4.随着光通量的增加, x偏振方向的损耗急剧增加,同时y偏振方向的损耗也有所增加, 但远小于x偏振方向的损耗.可见, 控制包层管1, 2内激励光源打开且光通量达到700 µJ/cm2以上, 包层管3, 4内激励光源关闭, 偏振调控器可使入射的THz波变为y方向偏振光, 双折射系数Δn可达到1.4 ×10-4; 同理, 包层管1, 2内激励光源关闭, 3, 4内激励光源打开时, 可以实现x偏振方向的偏振光传输.

4 总 结

本文利用有限元分析法理论研究VO2相变对VO2-ARF传输特性的影响.研究结果表明, 在2.5 THz波段, VO2的相变会促使VO2-ARF的反谐振周期发生突变, VO2相变前后, VO2-ARF包层管对入射光束的作用效果会由反谐振状态变为谐振状态, 从而使光纤的损耗急剧增加.此外, 研究发现VO2的电导率大小以及薄膜厚度对这一调控现象有很大的影响, 在ARF包层管内壁涂敷一层厚度足够的VO2, 通过控制VO2的相变, 便可实现对ARF包层管反谐振状态的调控.在此基础上,提出基于VO2-ARF的THz光开关, 光开关处于“开”、“关”状态时对应的光纤损耗分别为0.5 dB/m与110 dB/m; 此外, 本文提出基于VO2-ARF的THz偏振调控器, 分别控制偏振调控器不同包层管内激励光源的通断, 可以对VO2-ARF纤芯中入射光的偏振状态以及偏振方向进行调控, 偏振状态下光纤的双折射系数Δn可达到1.4 × 10-4.