科技快讯 |基于相干吸收的全光信号调制光纤器件

最近，薄膜中光学响应的相干控制成为了很多领域的研究热点，如选择性激发光谱学、非线性光学应用和全光学图像处理。来自南安普顿大学Periklis Petropoulos教授和南洋理工大学Nikolay Zheludev教授合作，通过超材料和光纤技术的集成，成功制备了全光纤封装的光交换“超器件”（Metadevice），实现了“与”、“非”、“或”的光逻辑控制。该项工作近日以“Fibre-optic metadevicefor all-optical signal modulation based on coherent absorption”为题发表在《NatureCommunications》期刊上。

一直以来，人们普遍认为光学逻辑功能都只能利用非线性光学实现，全光信号处理一般依赖于两个光信号的调制[1]。然而，最近研究表明：相干光在线性材料上的相互作用也有可能导致等效的非线性响应。通过设计完全吸收和无损耗的相干元器件，实现广泛的开关和控制功能，可用于全光信号处理，其潜在应用还包括小信号放大和相干滤波。

    与传统的光学非线性相反，最新研究表明：该技术在整个光吸收区可以依赖于光强度来实现控制，灵敏度高，且具有100 THz的带宽，甚至对于单光子信号也有很好的控制作用[2]。技术已经用于并成功实现了光的全光控制，光学重定向，纳米级厚度薄膜的非线性、偏振和量子效应的控制，以及选择性激发光谱控制[3]。值得关注的是，近日有研究预测光波在超薄膜上的相干作用可以实现信号处理的功能，并且有实验验证了其在静态区域中的概念[4]。

Periklis Petropoulos教授等人基于相干控制理论，设计了与光纤组件兼容、完全封装的“超器件”（Metadevice）光交换网络，实现了全光信号的逻辑处理，如“与”、“非”、“或”。其中，它使用亚波长厚度的等离子体纳米结构作为可转换吸收体，其允许一个光脉冲的吸收由另一个相干光脉冲控制。他们证实了由标准通讯元器件组装而成的光纤装置，在波长1530到1565nm范围内，可以实现非线性“输入/输出”特性，在kHz和GHz的调制下实现全光学逻辑功能的控制。由于相干吸收可以在单光子水平和100 THz带宽下工作，因此，他们所展示的全光开关概念在相干控制和量子信息网络中具有潜在的应用价值。该“超器件”可以为量子信息网络提供解决方案，同时也可以改进常规非线性材料对全光信号处理的速度限制和能量耗散的问题。

a，相干光输入信号α和β在超表面吸收体上相互作用，产生输出信号γ和δ。石英光纤的切割端面内嵌扫描电子显微镜图像；

b，反向传播的相干输入信号形成驻波。

a，完全纤维化的实验装置示意图；

b，测量的信号输出强度以及总输出功率和元器件损耗与波长1550nm的输入信号之间的相位差的函数关系；

c， 当I_α对于输入光束之间的不同相位差保持恒定时，测量的输出强度I_δ与输入强度I_β之间的关系。

a， 相位调制输入信号α和输出信号β之间的“或”函数；

b， 单个强度调制信号α的“非”函数，当存在波束β时信号α的反转；

c， 强度调制信号α和β之间的“与”函数。

a，相位调制输入信号α和输出信号β之间的“或”函数；

b，强度调制输入信号α和输出信号β之间的“非”函数；

c，强度调制输入信号α和输出信号β之间的“与”函数。

输入信号对应于以10GHz频率（顶部）重复的强度调制位模式1011;不同波长（下图）的相应输出轨迹表明元器件可以在所有情况下都能反转位模式。光束β连续处于开启状态（逻辑1）。

[1] Singh, P., Tripathi, D. K., Jaiswal, S. & Dixit, H. K. All-optical logic gates: designs, classification, and comparison. Adv. Opt. Technol. 2014, 275083 (2014).

[2] Fang, X., MacDonald, K. F. & Zheludev, N. I. Controlling light with light using coherent metadevices: all-optical transistor, summator and invertor. Light Sci. Appl. 4, e292 (2015).

[3] Zhang, J., MacDonald, K. F. & Zheludev, N. I. Controlling light-with-light without nonlinearity. Light Sci. Appl. 1, e18 (2012)

[4] Papaioannou, M., Plum, E., Valente, J., Rogers, E. T. F. & Zheludev, N. I. All-optical multichannel logic based on coherent perfect absorption in a plasmonimetamaterial. APL Photonics 1, 090801 (2016).

Angelos Xomalis, Iosif Demirtzioglou, Eric Plum, Yongmin Jung, Venkatram Nalla， Cosimo Lacava, Kevin F. MacDonald, Periklis Petropoulos, David J. Richardson& Nikolay. Zheludev，Fibre-optic metadevice for all-optical signal modulation based on coherent absorption, Nature Comunications，2018. https://doi.org/10.1038/s41567-018-0188-7.

作者：冯元会、方    轲

审核：颜学俊