基于涂敷黑磷微纳光纤卷型谐振器的光调制器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于涂敷黑磷微纳光纤卷型谐振器的光调制器，涉及中红外波段激光器技术领域，具体公开了一种涂敷黑磷微纳光纤的制作方法，包括步骤：利用熔融拉锥法制作微纳光纤；将制作完成的微纳光纤固定低折射率板上；利用光沉积法将黑磷涂敷在所述微纳光纤表面。还公开了一种基于涂敷黑磷微纳光纤卷型谐振器的制作方法和一种通过改变可调谐激光器功率控制光调制性能的控制方法。本发明专利技术制备的涂敷黑磷微纳光纤卷型谐振器相比传统的微纳光纤结构更为稳定，灵敏度更高，对光调制性质拥有非常良好的提升。

【技术实现步骤摘要】
基于涂敷黑磷微纳光纤卷型谐振器的光调制器
本专利技术涉及中红外波段激光器
，尤其涉及一种基于涂敷黑磷微纳光纤卷型谐振器的光调制器。
技术介绍
当前，人类社会环境对信息技术不断提高需求，促进人类社会的快速进步和发展。目前，人们更期盼所接收的信息可以不受时间以及容量等条件的限制，因此，从器件的角度，光通信设备的微型化、功耗低以及速率高等成为科研工作者所一直努力的目标。同时，作为信息的载体，光在传输过程中的速率和抗干扰性等方面具有很大的优势，但是在器件的集成方面相较于电子学还有相当大的差距。然而微纳光纤谐振器具有纤芯小、功耗低且能量密度高等优势，因此有望成为应用于光通信和光信息信号处理等器件设计和制备的光波导器件。随着激光技术的快速发展和应用，以及新型二维材料的优异非线性光学效应（饱和吸收效应和光克尔效应），这些新型的二维材料已经被广泛应用于全光开关、波长转换、放大器、激光器、光通信号处理、非线性光学光谱检测等生产生活的多个领域。然而，新型二维材料的非线性光学效应是一种强光效应，需要很高的光功率密度才能高效发生，除了发展激光技术不断提高激光器功率之外，寻求高非线性系数、高光损伤阈值、低损耗的新型非线性材料也一直是研究的焦点。2014年，研究人员发现了一种新型的层状结构材料——黑磷，并且引起了研究者的重点关注。磷单质有三种同素异形体分别为黑磷、白磷和红磷。然而，在这三种磷的同素异形体中，黑磷的化学性质最稳定且密度最大，同时与其他两种同素异形体相比，黑磷的结构与单原子层的石墨烯的片层结构相似，它由位于两个位面的波浪形磷原子构成。在正常情况下，黑磷是一种分层正交晶体，面内相邻磷原子靠P-P键紧密相连形成一个皱的蜂窝状结构，依靠弱的范德华力以面与面之间的形式结合在一起。而对独立层而言，每个磷原子都由其周围与其相邻的三个磷原子通过sp3杂化轨道所结合，而与石墨烯中碳原子是由sp2杂化轨道所结合不同。黑磷是一种直接带隙且带隙不为零的半导体，从理论上来说，黑磷的能带结构已经被广泛地研究。在中红外波段，块状黑磷是直接带隙且带隙约为0.3eV的材料，还能表现出黑磷具有强各向异性能量-动量分散特性，而黑磷的带隙主要取决于黑磷的厚度，且依然是直接带隙的，因而，黑磷具有直接带隙且0.3~2eV可调谐的能带结构。黑磷具有很多独特的电学、光学等物理性质，在光学方面包括线性光吸收特性、非线性饱和吸收特性、动态光响应特性。线性光吸收测量是一种表征材料的光学特性（带隙、光电导性、激子效应等）最简单的技术。晶体的带隙是一种材料最重要的参数，其决定晶体的光吸收特性。黑磷的基本光特性，尤其是与长波段的光相互之间的作用，能通过吸收测量方法表征。通过改变入射光的入射角度可以控制黑磷的线性偏振，在不同的偏振状态下，输出、反射和吸收光谱有所不同。在强光入射下，二维材料具有光饱和吸收特性。饱和吸收效应是由泡利不相容原理引起的，也就是说如果入射光足够强，载流子的溶度显著增加，这样就使得比本征载流子的浓度还要大。在这一条件下，由于光生载流子占据了空态，则带内载流子的转移会被停滞，这样会导致光吸收减少。这种饱和吸收特性会产生许多非线性器件，统称为饱和吸收体。饱和吸收体可以将激光输出的连续波转变为具有周期性光脉冲，还是研发超快大功率脉冲光纤激光器的重要因素。利用超快脉冲激光使黑磷产生价带和导带之间激发，并在价带和导带之间引起由黑磷产生的非均衡的载流子迁移。当光子处于稳定状态时，会产生静态吸收，而当光子处于高速状态时，光子则取决于热载流子的动态光响应。简单来说，载流子的动态迁移由如下过程：首先，光激发后热载流子会快速建立一个热费米-狄拉克分布；过一段时间后，通过带内相关光子散射会导致热载流子进一步得到冷却；最后，直到非平衡电子和空穴之间的分布完全放松状态下，电子和空穴进行复合。近十几年来，与黑磷相关的新型二维材料也同样引起了科研者的高度关注，其中，这些高表面积二维材料的光-物质相互作用机制和光-电转换机制的基础性的科学问题迫切需要解决，有关黑磷相关的二维材料调制器、偏振器、探测器以及光伏器件的研究成为新时期纳米光电子领域的研究热点。类似于黑磷具有优异的光电特性的这种二维材料还有许多，诸如石墨烯、过渡金属硫化物以及拓扑绝缘体等。2016年，Lin等人在《NanoLetters》期刊上提出基于少层黑磷的光电特性在中红外波段的光调制器。他们通过理论计算表明在黑磷的吸收边界内，平面外的电场会出现红移、蓝移，或者两者均有的现象。这是主要由于电场诱导量子局限弗朗兹-凯尔迪什效应和泡利不相容博斯坦-莫斯转移所引起的。通过将黑磷涂敷在硅纳米线表面上，再在黑磷的两端加电极，通过控制电压的大小，来实现对光的调制。在短短的近30年时间内，以光纤作为波导的光通信技术得到了巨大的成功，尤其在光通信、传感、非线性光学等领域中得到了广泛的发展和应用。近十年来，纳米技术多领域快速发展以及日益严苛的对于光器件而言性能参数（响应时间、尺寸大小、稳定性）的需求，光纤和光器件的微型化已经刻不容缓。微纳光纤与传统的单模光纤比较，微纳光纤的纤芯直径接近亚波长级，纤芯与表面的空气折射率相差很大。所以，微纳光纤可作为光子元器件的功能单元和研究介观光学领域有力工具。基于微纳光纤有很多优异的光学特性，微纳光纤完美地将光纤通信技术和纳米技术相结合。微纳光纤的优点包含：1、强光场约束。由于微纳光纤的直径通常小于或近似于传输的光波长，即光在微纳光纤中传输的等效模场截面尺寸一般在亚波长量级。同时，微纳光纤的强光场约束应用于小模式区域和光场增强中。2、强倏势场。由于微纳光纤表面会有强倏势场，增强微纳光纤与其他材料波导近场耦合。同时会有较大的光学梯度力会在微纳光纤拉锥区表面产生，致使较为容易控制在其表面的冷原子和纳米颗粒材料。在单模模式条件下具有强且可控的波导色散。3、质量小。由于微纳光纤的质量很小，通过机械振动或位移，微纳光纤具有很高灵敏度的动量变化。这样使得微纳光纤在集成紧凑的光器件设备、光耦合以及转化等领域具有可实现的潜力。4、插入损耗小。微纳光纤可以实现低损耗的光传输，输入输出端保持原有的光纤尺寸和单模光纤自然相连接，能够和多种光电子器件连接使用，具有较低的连接损耗，插入损耗低于0.1dB。目前，关于微纳光纤的制备有很多方法。火焰加热拉抻制备微纳光纤是目前最通用的制备方法，使用氢氧焰加热光纤至熔融状态，通过控制火焰大小，拉抻速度和长度来调节制备微纳光纤的直径。Tong等提出了一种使用蓝宝石光纤直接从块状玻璃拉抻制备纳米线的方法，采用这种方法制备得到的光纤直径最小可达到50nm。Summetsky等采用CO2激光器作为加热源，避免了空气扰动引起的直径不均匀性，利用激光器加热蓝宝石管产生足够的热量来制备微纳光纤。另外，电加热法的系统结构简单，易于控制和应用操作，同时避免了使用火焰的空气扰动和使用激光器带来的较大区域的损伤因而也得到了广泛的应用。Harfenist等提出从聚合物溶剂中拉制聚合物微纳光纤，利用聚合物易于掺杂的特性，用于制备具有特定掺杂物的功能性微纳光纤。微纳光纤本身没有纤芯和包层结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涂敷黑磷微纳光纤的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n步骤1、 利用熔融拉锥法制作微纳光纤；/n步骤2、 将制作完成的微纳光纤固定在低折射率板上；/n步骤3、 利用光沉积法将黑磷涂敷在所述微纳光纤表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种涂敷黑磷微纳光纤的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、利用熔融拉锥法制作微纳光纤；
步骤2、将制作完成的微纳光纤固定在低折射率板上；
步骤3、利用光沉积法将黑磷涂敷在所述微纳光纤表面。


2.如权利要求1所述的涂敷黑磷微纳光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1、将陶瓷微电偶加热器加热至工作温度；
步骤1.2、将普通单模光纤涂覆层剥去长3~5cm，固定在微位移平台上；
步骤1.3、将剥去涂覆层部分放置入所述陶瓷微电偶加热器中心位置；
步骤1.4、控制微位移平台移动拉制光纤至锥腰直径为2~3μm。


3.如权利要求1所述的涂敷黑磷微纳光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、将固定好的微纳光纤尾纤一端利用焊接机连接激光器，尾纤另一端利用焊接机连接光谱仪；
步骤3.2、打开所述激光器并通光；
步骤3.3、向所述微纳光纤拉锥区域滴加黑磷水基分散液，使得所述分散液浸没所述微纳光纤；
步骤3.4、待所述分散液风干后将所述微纳光纤尾纤连接所述激光器与光谱仪焊接处掐断，并将光纤取出。


4.如权利要求1所述的涂敷黑磷微纳光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤2中所述低折射率板是用酒精清洗干净的。


5.如权利要求1所述的涂敷黑磷微纳光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤2具体为：将制作完成的微纳光纤用胶带在光纤两端未剥涂覆层的区域固定在低折射率板上。


6.如权利要求2所述的涂敷黑磷微纳光纤的制作方法，其特征在于，所述步骤1.1中所述加热的所述工作温度为1200~1400℃。


7.如权利要求3所述的涂敷黑磷微纳光纤的制作方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，尹钰，
申请(专利权)人：苏州凯文堡尼光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32