[發(fā)明專利]一種石墨烯非線性光學(xué)效應(yīng)的全光調(diào)控方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011017062.5
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112255173B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉開輝;程陽;趙子荀;洪浩
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/84;G01N21/65;G01N21/33
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 王欣

本發(fā)明提供一種石墨烯非線性光學(xué)效應(yīng)的全光調(diào)控方法及裝置，所述裝置包括依光路依次設(shè)置的振蕩器、光學(xué)參量放大器、分束鏡和鏡頭，所述裝置還包括采集光路，所述采集光路收集所述石墨烯樣品產(chǎn)生的三次諧波信號。采用上述裝置進(jìn)行全光調(diào)控的方法克服了電光調(diào)控、聲光調(diào)控、熱光調(diào)控等光調(diào)控方法響應(yīng)速率過低的問題，同時實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90%(10 dB)以上的相對調(diào)制深度和低于2.5皮秒（180 GHz）的響應(yīng)時間，而且具有對泵浦光從可見到近紅外波段的寬譜響應(yīng)。同時，本發(fā)明提供的全光調(diào)控石墨烯的三次諧波產(chǎn)生方法調(diào)制效率高，能量損耗低，制作工藝簡單，可以應(yīng)用到其他二維材料體系里進(jìn)行研究，在光開關(guān)和光通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石墨烯非線性光學(xué)效應(yīng)的全光調(diào)控方法及裝置。

背景技術(shù)

我們現(xiàn)在正處于信息時代，隨著流媒體、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還在飛速地發(fā)展，導(dǎo)致迫切地需要更快速率、更高效率的信息傳輸方式。

電光調(diào)制是由于施加直流或低頻電場而導(dǎo)致的材料的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，比如非線性光學(xué)材料的折射率和非線性系數(shù)在低頻電場下發(fā)生改變。盡管電光調(diào)制具有較大的調(diào)制深度和較寬的工作波長范圍，然而由于電光調(diào)制面臨帶寬和能量損耗問題，導(dǎo)致其在傳輸速度、能耗和串?dāng)_等方面的性能受到了極大的限制，特別是電光調(diào)制速率最高只能到達(dá)1GHz，這就導(dǎo)致迫切地需要具有更好性能的調(diào)制方式。

近年來，隨著微納光子學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，全光調(diào)控已經(jīng)成為人們研究的新方向。全光調(diào)控就是通過發(fā)展小體積、高速率的光子器件以實(shí)現(xiàn)全光集成，比如光纖或者波導(dǎo)，在光子學(xué)領(lǐng)域完全實(shí)現(xiàn)信號處理，全光調(diào)控由于具有高帶寬、低損耗和高速率響應(yīng)時間等特性，因此其在光學(xué)互連、環(huán)境監(jiān)測、生物傳感、醫(yī)學(xué)和安全應(yīng)用等光子學(xué)和光電子學(xué)應(yīng)用中無處不在。

石墨烯是近年來最熱的明星材料，單原子層石墨烯只有約0.3納米厚度，具有非常優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。石墨烯是目前世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，其具有良好的導(dǎo)熱性及熱穩(wěn)定性，同時在可見到紅外波段吸光率只有2.3％，導(dǎo)電性比銅和銀還高。因此，石墨烯在光學(xué)、電學(xué)、光電子學(xué)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。從能帶理論來講，石墨烯為線性色散結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出狄拉克錐形能帶，即為零帶隙的半導(dǎo)體或者半金屬，因此石墨烯在光學(xué)線性和非線性領(lǐng)域都具有很強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用。

現(xiàn)在全光調(diào)控石墨烯的性質(zhì)主要是利用一束光去調(diào)控另一束光的光學(xué)線性性質(zhì)，例如通過調(diào)控以石墨烯包覆的微光纖結(jié)構(gòu)的光學(xué)線性透射率，可以達(dá)到38％的相對調(diào)制深度和2.2皮秒(～200GHz)的響應(yīng)時間，調(diào)制深度并不能達(dá)到很高。然而，由于石墨烯材料的狄拉克費(fèi)米子具有強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)和光學(xué)共振激發(fā)，導(dǎo)致其具有很強(qiáng)的光學(xué)非線性。現(xiàn)在通過全光調(diào)控去深入研究石墨烯的光學(xué)非線性性質(zhì)及其應(yīng)用，以及全光調(diào)控石墨烯非線性性質(zhì)的微觀工作機(jī)理，還處在最初始的階段，而機(jī)理的研究對于器件的優(yōu)化和調(diào)控是至關(guān)重要的。

綜上所述，目前正在使用的電光調(diào)制、聲光調(diào)制和熱光調(diào)制等手段，難以做到同時具有很高的響應(yīng)速率和調(diào)制深度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種超快調(diào)制速率、超高調(diào)制深度和對泵浦光從紫外到近紅外波段范圍響應(yīng)的全光調(diào)制方法，并以手撕石墨烯為例，驗(yàn)證了石墨烯作為優(yōu)異的光學(xué)材料可通過泵浦探測手段實(shí)現(xiàn)對其非線性光學(xué)三次諧波產(chǎn)生信號進(jìn)行超快和高效率的調(diào)控。

本發(fā)明提供一種石墨烯非線性光學(xué)效應(yīng)的全光調(diào)控的裝置，所述裝置包括沿光路依次設(shè)置的振蕩器、光學(xué)參量放大器、分束鏡和鏡頭，其中，所述振蕩器產(chǎn)生一定波長的超快光，所述超快光通過光學(xué)參量放大器產(chǎn)生兩束波長可以調(diào)節(jié)的超快光，其中一束作為探測光，另一束光作為泵浦光；所述探測光和泵浦光通過分束鏡后合成為一束合成光束并通過所述鏡頭照射到石墨烯樣品上；所述裝置還包括采集光路，所述采集光路收集所述石墨烯樣品產(chǎn)生的三次諧波信號。

優(yōu)選的是，所述采集光路包括沿光路依次設(shè)置的濾波片、光電倍增管和鎖相放大器，所述三次諧波信號依次通過所述濾波片和所述光電倍增管后輸出給鎖相放大器。