基于石墨烯涂层倾斜光纤光栅的光纤光电器件

光电科学的新出版物;DOI 10.29026/oes.2023.230012 概述了一种基于石墨烯涂层倾斜光纤光栅的光纤光电装置。

基于光纤的设备在光纤通信和传感技术的发展、成熟和广泛应用方面取得了巨大成功。然而，对普通石英光纤进行功能化和敏化以检测和转换光纤中传播的光信号一直是一个挑战。为了解决这个问题，特别是在光纤上集成光电器件将是一个潜在的替代方案。例如，通过将二维(2D)材料或超表面粘合到光纤尖端来构造全光纤光电探测器，具有高光响应性和与光纤系统的良好兼容性。石墨烯或碳纳米管/石墨烯杂化薄膜也集成在D形或锥形纤维上，光与物质相互作用的增强将有助于实现光电探测/相位调制。不幸的是，这些设备需要对光纤包层进行修改和去除，这将破坏光纤的完整性并降低机械性能。

倾斜光纤布拉格光栅(TFBG)作为一种新型光子器件，通过集成功能材料，还可以在光纤包层界面附近提供强倏逝场，以吸收、调制或将光信号转换为电信号。 。因此，石墨烯与全光纤结构的结合为实现集成化、小型化的全光纤光电器件提供了新的机遇。

本文作者报道了一种由石墨烯层和两个对称电极辅助的光纤内光电器件的实现，用于光电和电致热光转换，如图1所示。在该器件中，TFBG用于提供强倏逝场和多谐振梳状光谱，少层石墨烯通过电注入充当光电转换介质和微加热器，对称电极用于接收光电流信号或施加电信号。因此，该设备的透射光谱由窄带谐振的密集梳组成，提供了一个可观察的窗口来感测石墨烯层中的光电流和电注入。

对TFBG包层模的光谱特性和模态分布进行数值模拟，从理论上验证石墨烯的偏振相关吸收特性。实验中，选择不同波长下的P偏振和S偏振共振进行光电响应测试，结果如图2所示。对于光电流的产生，器件表现出偏振相关的光响应，响应度高达11.4 A/W，饱和光电流约100 μA，响应速度196 ms。此外，与波长相关的光电流演化允许对 TFBG 进行梳状光谱分析，并表现出比可调谐激光器扫描的传输更高的光谱分辨率。对于电致热效应，当电信号施加在石墨烯层上时，由于电泵焦耳热效应，TFBG的透射光谱将出现全局红移。谱移与方波电流呈线性响应，灵敏度高达2.167×104 nm/A 2，如图3所示。此外，由于长距离、均匀的热量产生和传递，热光开关的响应时间和最大消光比分别为148 ms和15 dB的石墨烯层。

因此，借助全光纤系统的优点，可以在一个光纤器件中无损耗地实现光信号的传播、滤波、调制和检测，从而实现集成，比使用透镜系统和光纤耦合系统聚焦更加灵活将光源引入片上波导。我们相信这项工作为开发具有二维材料集成的多功能光纤光电器件提供了潜在的途径。

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