碳纳米管助力全光反相器

来源：中国激光

全光信号处理因其能够克服电光电转换引入的额外损耗而受到广泛关注。目前，研究人员已经提出了众多全光信号处理的方案。例如，Kerr非线性可以实现飞秒级别的信号处理，远超目前电子器件的处理带宽。另一方面，不同于通常需要较高峰值功率的Kerr非线性，热光效应无需较高峰值功率，在全光路由、全光开关等需要长时间保持状态的全光器件中具有重要作用。

与此同时，因为纳米材料具有丰富的光学特性（如饱和吸收特性、热光效应）和与不同光学平台（如光纤、集成器件）融合的高度灵活性，纳米材料近年来已经展现出巨大价值。因此，将纳米材料应用于全光信号处理有望打开功能性光子器件的新领域。

近日，上海交通大学的研究人员通过实验验证了一种基于碳纳米管-聚乙烯醇薄膜的全光反相器。研究成果发表于Chinese Optics Letters 2020年第6期上。

首先，分散的碳纳米管被嵌入到25 μm厚的聚乙烯薄膜中，随后，薄膜被夹持在两个光纤连接器之间。当一个泵浦脉冲注入到薄膜中时，碳纳米管吸收泵浦，在薄膜中形成一个热透镜。相应的，当信号光在薄膜中传播时，由于其光斑尺寸不再与光纤数值孔径相匹配，传播损耗也发生变化。

利用这种设计，输出的信号光是泵浦光的反相器。这种设计在面对环境扰动时具有很强的稳健性。在1 s的测试时间内，连续50个循环周期都保持稳定输出。反相器的响应带宽为~7 kHz。不但如此，热光效应同时支持输出积分，有望促进全光神经网络的发展。

基于碳纳米管-聚乙烯醇薄膜的全光反相器实验装置图

“这是一个令人激动的结果：受益于碳纳米管，我们能在仅有25 μm厚的聚合物薄膜内实现热透镜，”上海交通大学的吴侃副教授认为，“这种紧凑的全光反相器将连接全光信号处理与纳米材料领域。”