有效的代Milliwatt-Level Sub-Terahertz波非线性响应测量二维材料的光外差技术

文摘

利用光外差技术,我们证明了稳定排放sub-terahertz波的频率从88兆赫到101兆赫,这可以作为非线性响应测量微波源系统。共同的两个截然分开边带信号频率跳动0.1太赫兹打光检测器(PD)允许代sub-terahertz信号。基于此方法,我们取得了0.1太赫兹波的辐射功率4兆瓦。透光率测量、二维纳米材料拓扑绝缘体(TI: Bi₂Te₃)显示饱和吸收行为规范化的调制深度的47%在0.1太赫兹。我们的结果表明,光外差技术可以作为一种有效的非线性测量微波源代sub-terahertz,甚至太赫兹波段。

1。介绍

Sub-terahertz (sub-THz)和/或太赫兹波(太赫兹),通常定义在-10年0.1太赫兹的范围,由于它的重要性已被广泛研究高频无线通信、雷达系统、高分辨率成像应用,非线性测量系统(1- - - - - -7]。尤其是对领域的测量领域,材料的非线性特征在sub-terahertz乐队是一个有影响力的观点,但被忽视很久了。石墨烯的发现,第一个二维狄拉克材料,其独特的能带结构赋予它ultra-broadband非线性响应,它显示了伟大的前景在各种微波和光学设备(8,9]。充分探索这些graphene-like材料的非线性特性和能带结构的影响,sub-terahertz乐队重叠微波和太赫兹刺激了越来越多的研究人员。然而,如何研究非线性响应在如此高频率、高质量和有效的微波源是一个真正的挑战。和非线性作用,较高的微波功率是特别重要的。

总是高度鼓励寻找一个健壮的方法生成sub-THz /太赫兹波的优势低相位噪声、高功率和成本效益。然而,电信号代高频微波信号超出60 GHz很难获得由于带宽限制电子设备(10,11]。为了满足这种期望,光子生成被认为是一种很有前途的技术(12- - - - - -18]。作为一种替代方法,光代,如光学锁模(19,20.),光注入锁定(21,22),和外部调制(23- - - - - -26),已被广泛用来产生太赫兹波。特别是,外部调制可以提供性能优良的稳定性和可靠性。但是,所有这些方法都涉及非常复杂的结构和需要额外的光电设备。相比之下,光外差技术被认为是最有前途的方法之一光子学代sub-THz /太赫兹波由于其广阔的带宽,大的可调性,效率,成本效益(27- - - - - -30.]。另一方面,双波长single-longitude-mode光纤环形激光器还演示了生成高频微波(31日,32),但输出性能不是很稳定,一个复杂的双波长光纤环形激光器需要设计。和差频混合两个共线传播的光束在电光晶体可用于产生太赫兹信号(33]。然而,全光纤格式丢失和其小型化和集成的应用程序是有限的。利用光外差技术,唐等人已经意识到100 GHz微波一代和2 m无线传输34]。但是,还需要进一步研究的性能sub-terahertz生成,尤其是辐射功率,稳定显示在太赫兹测量重要性,及其实际应用radio-over-fiber技术还应该更加关注。

实验在这篇文章中,我们展示了一个有效的方法sub-THz /太赫兹波代光外差技术。两个分布反馈(DFB)激光器被用来产生光微波信号,频率从88兆赫到101兆赫。输出功率直接辐射到自由空间达到4兆瓦。实验发现,光纤色散造成更少的辐射功率的影响。基于这个sub-terahertz源,透光率构建了实验系统,并用于研究二维狄拉克材料的非线性吸收特性(TI: Bi₂Te₃nanoplatelets TI NPs)。实验结果揭示了TI的饱和吸收行为:Bi₂Te₃,规范化的调制深度的47%和32的饱和强度μW /厘米²。为了进一步评估质量,微波源集成radio-over-fiber(学院)通信系统是在我们的调查。在通信系统中,我们意识到6 Gb / s显得信号传输/ 5 m无线连接。这说明了一个中心点,生成的微波源的质量和更好的性能稳定,测量系统是非常关键的。这些结果表明,生成的sub-THz足够高功率和良好的光束质量,可能适合非线性响应测量和无线通信。

2。实验和结果

2.1。0.1高功率太赫兹Sub-Terahertz波的一代

mm-wave生成的原理和相位控制如图1。连续波光波,调制射频信号通过一个马赫曾德耳调制器(MZM),用于生成光学显然对光学mm-wave载体产生。通过一个光学梳状滤波器,分离出两个二阶光学显然,相位信息加载到其中一个相位调制器。然后,随身带的边带相位信息与光学mm-wave重组实现mm-wave的相位控制。光电探测器(PD)被用来检测光信号实现mm-wave信号转换(31日]。

0.1太赫兹波生成的实验装置见图1。两个人连续光束来自足协与波长固定在1546.082和1546.858 nm,分别。然后,他们重组和导演成50/50光耦合器(OC),从这双波长激光光谱测量,如插入图所示1。在下面,一个光衰减器被用来调整PD前的输入光功率,可将光信号转换为sub-THz微波信号通过共同的频率跳动的效果。生成的0.1太赫兹波被进一步放大高频电子放大器和由喇叭天线辐射到自由空间(获得:25 dBi)。之前绝对太赫兹检测0.1太赫兹波的功率计,斩波器是用来调节固定30 MHz的频率。

sub-THz生成波的稳定性进行了研究。在一个输入光功率为3.6兆瓦,sub-THz波的辐射功率测量约为3.2 mW。通过不断监测辐射功率,我们注意,权力几乎是在10分钟在室温下保持不变,如图2,表明高辐射输出的稳定性。如果一个输入波长是固定在1546.858 nm, sub-THz辐射在不同频率可以作为其他波长产生不断变化。实验,波的输出频率可以调整从88兆赫到101兆赫,在输入光功率保持在3.6 mW。由于放大器的带宽限制,我们注意,操作频率动态范围和最佳工作频率位于从96兆赫到98兆赫,如图3(一个)。特别是,微波功率超过99 GHz频率大幅下降,作为输入光功率保持不变。

图3 (b)显示输入光功率和辐射微波功率之间的关系在不同的情况。软弱的政治制度下,输出功率几乎同步增加随着输入功率的增加。然而,一旦输入功率超过6兆瓦,输出功率成为饱和。为了研究光纤色散对微波的作用生成、传输实验通过背对背(BTB), DSF 10公里,10公里单模光纤(SMF)和20公里SMF正在接受调查。然而,正如在图3 (b)没有显著差异,表明纤维分散的实际影响是有限的。

2.2。TI的非线性响应测量Sub-Terahertz乐队

质量和稳定的微波源对各种非线性的非线性响应测量至关重要媒体,特别是对于sub-terahertz重叠微波和太赫兹波段。产生的微波光外差技术在非线性响应测量拥有许多伟大的资产,如宽带站得住脚的波长和高输出功率。来验证其应用在非线性响应测量,我们构建这样的测量系统(8,26)调查的非线性吸收属性德州仪器(TI: Bi₂Te₃NPs转移到广场石英玻璃)[26]。

在这里,二甘醇(度)介导的多元醇方法引入到复合few-layer TI: Bi₂Te₃NPs (35]。钛的物理图:Bi₂Te₃乙醇的解决方案是如图4(一)。图4 (b)显示了透射电子显微镜(TEM)图像;可以清楚地看到,TI展品对称六边形的形态,这表明高相对稳定(26]。原子力显微镜(AFM)图像如图4 (c),这进一步证实了准备TI NPs的对称的六边形的形态,和样品厚度测量的平均55纳米。

实验设置显示在图5(一个)与衰减器调整,微波功率可以改变从20到4 。直升机的孔径直径15毫米,这表明,最大输出强度可达2.27 mW /厘米²。这是一个充分的方法对于大多数测量。相应的透射率曲线在这sub-terahertz乐队如图5 (b);从图中可以看到,透光率趋于一个稳定值与输入强度从20增加到160μW /厘米²。与公式拟合后, ,在那里是传播,是调制深度,是输入强度,是饱和功率强度,是不饱和的吸光度,我们获得了相应的饱和吸收参数(36]。TI的调制深度和饱和磁化强度47%和32μW /厘米²,分别。结果与报告的结果(26),这表明sub-terahertz结果从这个方法是高质量的和适当的非线性响应测量。

示意图如图6(一)TI的结构:Bi₂Te₃可以被视为层由5原子厚Te-Bi-Te-Bi-Te共价结合表通过较弱的范德华力(耦合在一起35]。和它的能带结构如图6 (b);像石墨烯一样,他们都是直接带隙材料中,这是令人兴奋的电子导电过渡。除了TI的区别:Bi₂Te₃有绝缘批量状态,它还具有无间隙的金属表面状态像石墨烯。这提出了一个有趣的问题:什么样的角色做了绝缘批量状态和金属表面状态的非线性响应。TI: Bi₂Te₃在光照或微波,价带中的电子可以兴奋传导带并占领了最低的能量状态遵循泡利不相容原理。随着入射强度的增加,生成的运营商填满价带,防止进一步激发的电子在帷幔乐队导致饱和。然而,绝缘带隙值大约0.15 eV (TI:大部分国家的Bi₂Te₃),这表明单光子的能量小于0.15 eV很难激发的电子跃迁到导带批量状态。饱和吸收过程在sub-terahertz乐队确认表面金属国家负责饱和吸收微波波段,单光子的能量远低于0.15 eV。这一切表明,微波/能量较低的太赫兹波段的照片可能更详细的研究中具有重要意义的线性/非线性响应的材料。和有效的微波源线性/非线性测量的保证。

2.3。Radio-over-Fiber通信系统与0.1太赫兹Sub-Terahertz波

进一步评估sub-terahertz波生成的质量,它是用来携带数字信号。图7显示0.1太赫兹的实验设置radio-over-fiber系统5 m交付。连续波(CW)在1546.082和1546.858 nm ~ 6 dBm足协发出输出功率函数作为光学来源,与相应的光谱数据所示8 (b)和8 (c),分别。这表明,频率间距DFB1和DFB2 97 GHz。和连续波光波1546.082 nm DFB1被强度调制器调制(IM)。2 Gb / s下行基带信号与伪随机二进制序列(PRBS) 231 - 1的长度被用来驱动IM。一起DFB2的输出,他们两人作为输入50/50 OC,光谱如图8(一个)。10公里SMF-28传输后,为了获得最佳的输出,这就需要输入功率到PD不能太低,后一个掺铒光纤放大器(EDFA)是利用光纤的衰减进行补偿。然后0.1太赫兹PD来检测光信号,因此允许0.1太赫兹信号的转换。随后被放大的信号通过一个低噪声电流放大器(EA1)。然后25 w频段天线的增益dBi用于辐射0.1和2 Gb / s的书太赫兹波信号加载。

5 m无线交付后,由另一个天线接收到的数据是用相同的天线参数1和被EA2然后放大。这时,一个功率检波器用于降频转换器到基带的数据。宽带EA3后,信号被发射到一个错误检测器测量误码率指数。

数据信号在不同条件下的误码性能图所示6。图的插入(a)9是只有5 m无线传输后的眼图,而插入(b)显示了10公里后的眼图SMF-28和5 m无线传输。结果表明,纤维的存在在系统中可以极大地扭曲了眼图,它是由光纤色散引起的(23]。和功率损失测量3 dB,如图9。

数据加载以不同的速率时,相应的眼图5米后也测量到无线传输。如图10,数据10 ()- - - - - -10 (d)与数据速率集眼图3,4,5,6 Gb / s,分别。结果表明,一旦加载数据速率设置超出5 Gb / s,明显会发生畸变。这是由于电放大器的带宽限制。通过升级放大器、输出功率和传输距离可以扩大。

3所示。结论

总之,我们有实验证明了一个健壮的方法生成0.1太赫兹信号光外差技术的基础上,结合非线性响应测量的应用。微波辐射的频率限制在0.1太赫兹的范围是由于电放大器的限制。长途传输实验进一步表明,色散显示了辐射功率的影响有限,和6 Gb / s的书成功传播到5 m无线信号由指示生成的sub-terahertz 0.1太赫兹波是高质量的。下0.1太赫兹sub-terahertz波励磁,TI展示饱和吸收行为,进一步证实了TI的金属表面状态的贡献:Bi₂Te₃在非线性吸收反应。我们的结果构成了一大步发展的光子代大功率sub-terahertz和太赫兹源,在测量领域显示了巨大的潜力。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作支持的部分基础研究深圳科技计划的项目(授予JCYJ20160422152152634号,JCYJ2016032814464和JCYJ20150324141711651),中国的国家科学基金会(授予号。61575127和61575127),广东省自然科学基金支持的项目(批准号2016 a030310065和2014 a030310279), SZU的自然科学基金(批准号000059和2016031),广东省科技计划项目(2016 b050501005),和广东省自然科学基金教育部门(拨款2015 ktscx124和2015号kqncx146)。

引用

1. t .创“生成毫米和太赫兹波,”IEEE微波杂志,10卷,不。4、64 - 74年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. m . Tonouchi“尖端太赫兹技术”,自然光子学,1卷,不。2、97 - 105年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 即Duling和d . Zimdars太赫兹成像:揭示隐藏的缺陷,”自然光子学,3卷,不。11日,第632 - 630页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. 周宏儒。歌曲和t .创“太赫兹通信的现在和未来IEEE太赫兹科学技术,1卷,不。1,第263 - 256页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. s . j . b . Yoo r·p·斯科特·d·j .聊聊n k。方丹和f·m·苏亚雷斯,“太赫兹RF-photonics和信号处理的信息,”IEEE太赫兹科学技术,卷2,不。2、167 - 176年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. a . Hirata m .原田,t .创“120 - ghz无线连接使用光子技术生成,调制,毫米波信号的发射,“光波技术杂志》,21卷,不。10日,2145 - 2153年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. d·m·米特·r·h·雅各布森,m . c .主犯“T-ray成像,”IEEE在选定的主题在量子电子学》杂志上,卷2,不。3、679 - 692年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 陆z郑、赵c . s . et al .,“微波和光学在石墨烯可饱和吸收,”光学表达,20卷,不。21日,第23214 - 23201页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. v . p . Gusynin s g . Sharapov j.p. Carbotte,“不同寻常的狄拉克粒子在石墨烯中,微波反应”物理评论快报,卷96,不。25、文章ID 256802 2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. H.-W。胡贝尔,“太赫兹外差式接收机”,IEEE在选定的主题在量子电子学》杂志上,14卷,不。2、378 - 391年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 周宏儒。歌曲:清水,t .创“代双模光信号的宽带频率可调谐性和低杂散信号电平,”光学表达,15卷,不。22日,第14906 - 14901页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. e . Rouvalis m . j .杂种小狗c . c . Renaud和a . j .种子,“毫米波基于uni-traveling航母二极管光电搅拌机,”IEEE微波理论和技术,60卷,不。3、686 - 691年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. h . Ito t . Furuta f .及其k .吉野和t . Ishibashi“光子代连续太赫兹波使用uni-traveling-carrier光电二极管,”光波技术杂志》,23卷,不。12日,第4021 - 4016页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. d . Saeedkia和美国Safavi-Naeini,“太赫兹光子:光电子技术产生和探测太赫兹波,“光波技术杂志》,26卷,不。15日,第2423 - 2409页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. 和j . m . w . Liu Wang姚明,”可调微波和sub-terahertz代使用单偏振调制器基于频率的四倍,”光波技术杂志》没有,卷。31日。10篇文章ID 6487368, 1636 - 1644年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. d . Stanze德宁,a . Roggenbuck辛德勒,m . Schlak和缝匠肌,“紧凑型cw太赫兹光谱仪泵为1.5μ米波长。”杂志的红外线,毫米,和太赫兹波,32卷,不。2、225 - 232年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 严l . j .你们,z . Chen等人“光子微波相编码信号的生成基于frequency-to-time转换,“IEEE光子学技术信,24卷,不。17日,第1529 - 1527页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 严l . j .你们,w·潘et al .,“光子生成的三角形脉冲基于frequency-to-time转换,“光学信,36卷,不。8,1458 - 1460年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. z邓和j .姚明,“光子代微波信号使用理性的谐波锁模光纤环形激光器,”IEEE微波理论和技术,54卷,不。2、763 - 767年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. a·c·Bordonalli Cai, a . j .种子和p•j•威廉姆斯,“代主动锁模微波信号的增益带宽限制激光器结构,”IEEE光子学技术信,8卷,不。1,第153 - 151页,1996。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. l·戈德堡,h·f·泰勒,j·f·韦勒和d·m·布鲁姆”与injection-locked激光二极管微波信号的一代”,电子信件,19卷,不。13日,491 - 493年,1983页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. l . Goldberg a . m . Yurek h·f·泰勒和j·f·韦勒,“35 GHz injection-locked激光二极管微波信号的一代,”电子信件,21卷,不。18日,第815 - 814页,1985年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. j . Yu z, l .咦,y . Su, G.-K。Chang, t . Wang“光毫米波生成或使用外部调节器上变频,”IEEE光子学技术信,18卷,不。1,第267 - 265页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 锅和j .姚明,“基于光子频率可调subterahertz波代六倍使用偏振调制器和wavelength-fixed陷波滤波器,”IEEE微波理论和技术,卷。58岁的没有。7,1967 - 1975年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. 气,j .姚明,j . Seregelyi s Paquet和c . Belisle“光学连续可调的毫米波信号的生成和分布使用光学相位调制器,”光波技术杂志》,23卷,不。9日,第2695 - 2687页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. 陈,c .赵y李et al .,“宽带光学和微波非线性响应拓扑绝缘体,”光学材料表达,4卷,不。4、587 - 596年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. f .风扇和m . Dagenais“光代megahertz-linewidth微波信号使用半导体激光器和discriminator-aided锁相环,“IEEE微波理论和技术,45卷,不。8日,页。1296 - 1300。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. a . Hirata m . Harada佐藤k, t .创“低成本毫米波光子技术为千兆/无线连接,”IEICE电子交易,E86-C卷,不。7,1123 - 1128年,2003页。视图:谷歌学术搜索
29. d后,c·r·利马·a·戴维斯“光代的毫米波信号fiber-radio系统使用双模分布反馈半导体激光器,”IEEE微波理论和技术,43卷,不。9日,第2276 - 2270页,1995年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. 周宏儒。歌曲:清水、t . Furuta k . Suizu h .伊藤和t .创“Broadband-frequency-tunable sub-terahertz波代使用光学梳,awg,光开关,和一个uni-traveling光电二极管光谱应用载体,“光波技术杂志》,26卷,不。15日,第2530 - 2521页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. 陈x、z邓和j .姚明,“使用双波长光子代微波信号的单纵模光纤环形激光器,”IEEE微波理论和技术,54卷,不。2、804 - 809年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. d . Chen h .傅w·刘,y,和他,“双波长单纵模基于光纤布喇格光栅对掺铒光纤激光器及其应用在微波信号生成,“电子信件,44卷,不。7,459 - 461年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
33. 霍夫曼和m·r·霍夫曼”一代的太赫兹辐射半导体激光器有两个颜色,”激光和光子评论,1卷,不。1,44-56,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. c . Tang r . Li y邵et al .,“演示实验为40公里纤维和2米4 gb / s的书信号的无线传输在100 - ghz的载体,“中国光学信,11卷,不。2、文章ID 020608, 2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. l . Ren, x, y刘et al .,“大规模生产超薄拓扑绝缘体的碲化铋nanosheets热液夹层和剥落的路线,“《材料化学,22卷,不。11日,第4926 - 4921页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
36. 美国陆、赵c . y .邹et al .,“Bi2Se3的三阶非线性光学性质光学表达,21卷,不。2、2072 - 2082年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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