基于黑磷量子点光克尔效应的全光学调制器制备与应用研究

Modulator is one of the fundamental components in optical system, exhibiting many important applications in intensity or phase modulations, optical frequency shifts, optical frequency combs, etc., which can be realized typically by electro-optic or acoustic-optic effects. In this project, a novel all-optical modulator is proposed based on the optical Kerr effect of black phosphorus quantum dots (BPQDs) for directly realizing all-optically actively-modulated pulse generation. This modulator exhibits advantages in directly all-optical effect, actively tunable modulation depth, ultra-broadband and ultrafast responses. We will mainly focus on the study of the fabrications and characterizations of high quality BPQDs, BPQDs-based micro-fiber devices and all-optical modulators, as well as the further study of the generation of all-optically actively-modulated pulses by utilizing such a modulator. This project will contribute new exploring thoughts and directions on the research of two-dimensional black phosphorus materials in fiber laser sources, and will also develop a novel scheme for all-optically actively-modulated pulse generation, possessing important fundamental research significances and practical application values.

调制器是光学系统中的基本器件之一，具有强度或相位调制、光频移、光频梳等多方面的重要用途，通常利用电光或者声光效应来实现。本项目提出一种基于黑磷量子点光克尔效应的新型全光学调制器，以实现全光学主动调制脉冲的产生。该调制器具有直接的全光学效应、主动可调谐的调制深度、超宽带及超快响应等优点。重点研究高质量黑磷量子点、基于黑磷量子点的微光纤器件以及全光学调制器的制备与特性，并进一步研究基于该调制器的全光学主动调制脉冲产生。本项目的成功实施将为二维黑磷材料在光纤激光光源方面的研究贡献新的探索思路和方向，并开辟全新的全光学主动调制脉冲产生方案，具有重要的基础研究意义和实际应用价值。

调制器是光学系统中最为基本的强度及相位调控器件，具有极其广泛的用途。而传统的声光及电光调制器均具有响应速度慢、响应带宽窄等本征缺陷。因此，开发更为高速和宽带响应的调制器，以便应用于更高性能的光学系统，一直是光学领域器件人们的急切追求之一。本项目选择具有超快响应特性的黑磷量子点作为基本材料，倏逝场耦合型光纤器件作为基本作用介质，非线性光克尔效应作为基本作用方式，来构建主动可控的全光学调制器，并进一步研究其特性和应用。基于液相剥离的物理方法（不牵涉化学反应），成功制备了平均直径小于5 nm黑磷量子点。利用高压注入法实现了单模、非线性单模、高非线性三种不同类型光子晶体光纤的黑磷量子点填充，并进一步制作成功了相应的倏逝场耦合型光纤器件。利用光学沉积法实现了各种不同尺寸拉锥光纤的黑磷量子点附着，并进一步探索了相关的封装工艺。基于附着黑磷量子点的光子晶体光纤及拉锥光纤器件，构建了迈克尔逊干涉仪型的全光学调制器，实现了5.3%至92.1%连续可变的调制深度。研究了不同尺寸拉锥光纤本身的局域非线性对光纤激光器中黑磷量子点锁模特性的影响。实现了基于黑磷量子点的光子晶体光纤以及拉锥光纤两类倏逝场耦合器件的拉曼光纤激光器锁模。本项目的实施和完成具有重要的基础研究意义和实际应用价值，能够为全光学调制器的研制提供新的参考，并为新型超快响应材料在传统调制器革新方面提供新的契机。