In den letzten zehn Jahren gab es ein erhebliches Interesse an der Photonik aufgrund ihrer Aussichten, funktionale Geräte sowohl für Wellenlängen im nahen Infrarot (NIR) als auch im mittleren Infrarot (MIR) zu entwickeln. Optische Modulatoren sind entscheidende photonische Schaltungen, die Signalumschaltung und -führung, Datencodierung, phasenempfindliche Detektion und spektroskopische Abfragen ermöglichen. Für NIR-Modulatoren haben verschiedene Arten von Materialien eine große Anzahl von Forschungsprojekten angeregt.
In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Fortschrittliche Fertigunghat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Wei Jin von der Hong Kong Polytechnic University einen neuen volloptischen MIR-Modulator entwickelt, der auf einer mit Acetylen gefüllten Hohlkernfaser basiert.
Die Motivation, Modulatorwellenlängen weiter in MIR zu untersuchen, kommt von den möglichen Anwendungen für Photonik und Sensorik in diesem Bereich. MIR-Modulatoren haben eine Fülle von Anwendungen, darunter aktiv gütegeschaltete Lasererzeugung, Umweltverschmutzungsüberwachung, chemische und Biosensorik, industrielle Prozesskontrolle, multispektrale Wärmebildgebung und medizinische Diagnose früher Krankheiten.
Die meisten MIR-Modulatoren sind auf Wellenleiter-integrierten oder Freiraum-Plattformen etabliert. On-Chip-integrierte Bauelemente haben aufgrund ihrer flexiblen Wellenleitergeometrie und Kompatibilität mit komplementären Metalloxidhalbleitern erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Es wurden verschiedene wellenleiterintegrierte Modulatoren demonstriert, einschließlich solcher, die auf elektrooptischen, thermooptischen, freien Trägerplasmadispersion und Elektroabsorptionseffekten basieren. Die meisten wellenleiterintegrierten Modulatoren basieren auf der Silizium-auf-Isolator- oder Silizium-auf-Lithium-Niobat-Plattform, die aufgrund der stärkeren Materialabsorption bei längeren Wellenlängen hauptsächlich im NIR-Bereich verwendet wird.
Für Freiraummodulatoren werden üblicherweise Metamaterial-, Hybrid- und Musterstrukturen verwendet, um die Licht-Materie-Wechselwirkung zu verbessern und eine höhere Modulationseffizienz zu erreichen. Die meisten MIR-Modulatoren werden elektrisch angesteuert, wobei externe Elektronik direkt auf die Modulationsgeräte angewendet wird.
Die Forscher haben eine neuartige Methode zur Erzielung einer MIR-Phasenmodulation durch Ausnutzung des photothermischen (PT) Effekts in mit Acetylen (C2H2) gefüllten Antiresonanz-Hohlkernfasern (AR-HCF) gezeigt. Der PT-Effekt in gasgefüllten HCFs wurde für die hochempfindliche Gasdetektion ausgenutzt.
Die lange Wechselwirkungsdistanz und die nahezu perfekte Überlappung der Pump- und Sondenfelder des HCF mit Gasmaterial verbessern die Licht-Gas-Wechselwirkung erheblich und ermöglichen eine größere Phasenmodulation und damit eine bessere Gasempfindlichkeit gegenüber Freiraumsystemen. Die Forscher erweiterten den Anwendungsbereich des PT-Effekts in den gasgefüllten HCFs weiter auf rein optische MIR-Modulatoren.
Im Gegensatz zu den spannungsgesteuerten Wellenleiter- und Freiraummodulatoren werden die PT MIR-Phasenmodulatoren optisch von einem kostengünstigen Steuerlaser im NIR-Telekommunikationsband angesteuert. Durch Platzieren des Phasenmodulators (PM) in einem Arm eines Mach-Zehnder-Interferometers (MZI) wird die MIR-Intensitätsmodulation (IM) weiter demonstriert. Die AR-HCFs haben intrinsisch eine Breitbandübertragung, die es in Verbindung mit den schmalen Absorptionslinien von Gasmaterialien ermöglicht, ultrabreitbandige rein optische Modulationsvorrichtungen von NIR bis MIR zu entwickeln.
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Kaiyuan Zheng et al., Volloptische Modulatoren im mittleren Infrarotbereich basierend auf einer mit Acetylen gefüllten Hohlkernfaser, Licht: Fortschrittliche Fertigung (2022). DOI: 10.37188/lam.2022.050