基于偶氮聚合物涂覆光纤端面的全光学可重写双折射效应

《Optical Fiber Technology》：All-optical rewritable birefringence on azopolymer-coated optical fiber tips

　　

摘要翻译：

研究人员成功演示了利用含偶氮苯聚合物对光纤端面进行功能化，以实现偏振控制。该器件采用偶氮聚合物PAZO（聚[1-[4-(3-羧基-4-羟基苯偶氮)苯磺酰胺]-1,2-乙二基钠盐]）薄膜沉积在标准单模光纤的切割端面上。通过适当偏振态的泵浦光（532 nm）照射，可在薄膜中写入有效双折射，并可通过圆偏振光擦除或重写。利用1550 nm探针光进行实时Stokes偏振测量，观察到透射偏振态从近线偏振到近圆偏振的可控变化。在泵浦光开启时，获得了0.04–0.06范围内的高最大有效双折射值，关闭泵浦光后稳定值衰减较低。结果表明，薄膜厚度和制备方法影响响应时间和双折射幅值。同一光纤上的多次测量表现出良好的可重复性。该光纤端面平台提供了一种简单、紧凑、可重写的全光学偏振控制方案，与电信波长兼容，潜在应用包括可调偏振控制器、全光开关和可重构光纤传感器。

论文解读：基于偶氮聚合物涂覆光纤端面的全光学可重写双折射研究

1. 研究背景与问题

偏振控制在电信、光纤传感、量子光学等领域至关重要。然而，传统偏振控制器件存在尺寸较大、工作波段固定或狭窄、难以集成到微型光子器件等问题。超表面（metasurface）与光纤集成的“lab-on-fiber”方案虽能克服部分局限，但通常依赖电子束光刻、聚焦离子束铣削、飞秒激光直写等复杂且昂贵的制造工艺。因此，开发简单、小型化、可调谐且集成的光纤偏振控制元件仍具重要意义。基于偶氮苯（azobenzene）材料的方案提供了一种新途径：利用光致分子取向重排，双折射可沿期望轴被光学写入、擦除和重写。已有研究将偶氮材料与光纤集成用于传感和偏振控制，但多数方案依赖修饰光纤段上的倏逝场相互作用，需要拉锥、化学蚀刻或侧边抛光等处理。本研究旨在探索一种不同配置：将含偶氮苯聚合物直接沉积在标准切割单模光纤端面上，避免上述复杂工艺，为可重写偏振控制元件提供简单集成方法。

2. 研究内容与结论概要

研究人员采用商用偶氮聚合物PAZO，通过滴涂和浸涂两种方法将其沉积在切割光纤端面，形成薄膜。利用532 nm线偏振泵浦光写入双折射，用同波长圆偏振光擦除，并使用1550 nm探针光通过实时Stokes偏振测量监测偏振态变化。结果表明，该器件可实现高有效双折射（0.04–0.06范围），相位延迟接近1550 nm四分之一波片水平，且具有可重写性、光轴可调谐性和全光学操作特性。制备方法简单，重复性好，器件在适当操作下可稳定至少两个月。

3. 关键方法

研究采用了以下主要技术方法：（1）薄膜制备与厚度表征：使用滴铸法和浸涂法（dip-coating）制备PAZO薄膜，通过超连续谱光源照明和光谱分析仪（OSA）读取反射干涉条纹，利用法布里-珀罗（Fabry-Pérot, FP）腔原理计算薄膜厚度。（2）双折射写入与擦除测量系统：以532 nm泵浦激光作为写入光源，经线偏振器和半波片（HWP）控制偏振方向，用中性密度滤光片调节功率，通过10×物镜聚焦到样品；擦除时在光路中插入四分之一波片（QWP）将偏振变为圆偏振。探针激光（1550 nm）经由光纤偏振控制器调节为45°线偏振后进入样品，透射光经物镜准直并耦合回光纤，由偏振计（Novoptel PM1000）读取Stokes参数。（3）数据拟合模型：将双折射时间动力学数据拟合到幂律模型（power law model），获得写入和稳定过程的特征时间、动态指数等参数。（4）可重复性测试：对同一样品进行多次写入/弛豫/擦除循环，改变泵浦光偏振方向、功率及测量间隔时间，评估器件稳定性。

4. 研究结果

4.1 双折射写入、弛豫与擦除行为

对样品M1（甲醇溶剂滴铸，厚度6.765 μm）在1.4 mW泵浦功率下进行写入（0–750 s）、弛豫（750–1250 s）和擦除（1250–1500 s）循环。Stokes参数显示，偏振态随双折射增加而椭圆率增大，方向角基本保持。最大有效双折射达0.05956 ± 7e?5，稳定后为0.0541 ± 1e?4，对应相位差0.5406π ± 0.0004π，接近四分之一波片。拟合结果显示幂律模型最佳，写入特征时间τ = 15.3 s，α = 0.682；稳定阶段初始快衰减τ = 1.9 s，长期慢衰减由η = 0.0159表征。

4.2 样品W3的响应特征

水溶剂滴铸样品W3（厚度8.639 μm）在2.2 mW泵浦功率下同样达到近右旋圆偏振态，但写入特征时间较慢（τ = 49 s），归因于膜厚较大。最大相位差0.5770π ± 0.0004π，最大双折射0.04956 ± 5e?5，稳定值0.04566 ± 5e?5。这表明较厚薄膜响应慢但可维持相近的最大相位差，双折射略低。

4.3 可重写性和可重复性

对样品M1进行了12次写入/弛豫/擦除循环：前5次条件相同；第6–7次将泵浦光偏振旋转90°（交换快慢轴）；第8–10次恢复原方向；第11次增大泵浦功率至1.7 mW；第12次在72 h后以原条件测量。最大有效双折射从首次循环的0.05956降至末次的0.05213（总降幅12%），但后期趋于稳定（循环6至12仅降2%）。最大降幅发生在首次改变写入方向的循环（约4.6%）和相邻循环（4.5%）。数据表明双折射值对写入方向、功率小幅变化和72 h间隔均相对稳定。

4.4 样品平均性能

各样品多次测量的平均最大双折射和稳定双折射显示，该装置在电信波长可获得高双折射值。较厚样品有效双折射略低，但总体差异不大。泵浦功率过高（约4 mW，峰值强度0.08 mW/μm2）会对样品造成永久性损伤，后续测量值永久降低；通过调节光学滤光片可确保良好重复性。

5. 总结与结论讨论

研究成功演示了用偶氮聚合物PAZO功能化光纤端面，实现可重写双折射的全光学偏振控制。通过532 nm线偏振光写入、圆偏振光擦除，在1550 nm处实现了从近线偏振到近圆偏振的可控转换，最大有效双折射0.04–0.06，稳定值下降较小。薄膜厚度和制备方法显著影响响应时间和双折射值，较薄薄膜响应快，较厚薄膜动力学慢但最大双折射相近。器件多次测量重复性好，方向反转、功率微变和时间间隔影响有限。该光纤端面平台兼具简单、紧凑、可重写和全光学操作优势，兼容电信波长，适用于可调偏振控制器、全光开关和可重构光纤传感器等场景。未来工作需解决长期稳定性问题，并推动全光纤兼容架构的集成。