全光開光裝置及其操作方法與流程
2023-10-09 10:27:14 4
本發明涉及全光開關裝置，具體是一種通過馬赫曾得幹涉並結合硫化鎢的波長選擇性吸收實現的全光開關裝置及其操作方法。
背景技術：
過渡金屬硫化物是一種具有二維層狀結構的納米材料，具有豐富的光、電子學特性，受到國內外廣泛關注。硫化鎢作為一種過渡金屬硫化物在2013年時被證實具有飽和吸收特性，並在2014年被發現具有光學非線性。將硫化鎢作為飽和吸收體用於鎖模雷射器和調q雷射器的實驗結果也先後被報導。因此硫化鎢在脈衝雷射器、非線性光纖、光信號處理等領域有廣泛的應用前景。
另一方面，全光信號處理因其具有高帶寬和抗電磁幹擾等優點日益受到重視。全光開關作為全光信號處理中的一種基本器件得到了廣泛研究。已報到的全光開關的方案主要有以下幾種：
方法1：基於非線性光纖克爾非線性。通過利用非線性光纖中的克爾非線性實現交叉相位調製等光光相互作用，從而實現全光信號處理。
方法2：基於半導體光放大器的載流子特性。通過利用半導體光放大器中載流子導致的交叉強度調製等實現光光相互作用，實現全光信號處理。
方法3：基於石墨烯熱光效應。利用石墨烯吸熱改變介質折射率的特性實現光強度或光相位的交叉調製，實現全光信號處理。
總之，以上的幾種方法或者成本較高、或者體積較大、或者工藝複雜、或者效率不高。因此，需要一種方法能夠在兼顧成本、體積、工藝和控制效率的同時，實現光場與光場的相互作用。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供一種全光開關裝置及其操作方法，該裝置將硫化鎢沉積在拉錐光纖上的方法並且結合馬赫曾得幹涉儀(mzi)來實現全光開關，利用硫化鎢波長相關的吸收穫得高控制效率和低信號損耗，該裝置是一種兼容光纖系統、低成本、構造簡單、高效的全光開光裝置。
為了解決上述問題，本發明的技術解決方案如下：
一種全光開關裝置，包括光纖馬赫曾得幹涉儀，其特點在於在光纖馬赫曾得幹涉儀的一臂上，採用沉積有硫化鎢納米片的拉錐光纖(3)，具體結構是1x2光纖耦合器將輸入光分為兩路輸出光：一路輸出光經980/1550第一波分復用器、沉積有硫化鎢的拉錐光纖、980/1550第二波分復用器，進入2x2光纖耦合器的一個輸入端；1x2耦合器的另一路輸出光經可調延遲線進入所述的2x2光纖耦合器的另一個輸入端，所述的第一波分復用器的另一輸入端為控制光輸入端，所述的第二波分復用器的第二輸出端為控制光的輸出端，所述的2x2光纖耦合器的兩個輸出端為本全光開關的1550nm信號輸出端。
所述的拉錐光纖的直徑為10微米，所述的拉錐光纖沉積硫化鎢的長度約為500微米。
所述的980nm控制光是功率恆定的連續光，或脈衝光。
所述的980nm控制光波長的變化範圍為974nm～982nm。
所述的1550nm信號光波長的變化範圍為1530nm～1590nm。
所述的1x2耦合器的耦合比為70:30，所述的2x2耦合器的耦合比為50:50。
所述的第一波分復用器和第二波分復用器具有同一規格和型號。
上述全光開關裝置的操作方法，包括以下步驟：
1)將1550nm信號光通入馬赫曾得幹涉儀的輸入端，即通入1x2光纖耦合器的輸入端；
2)調節所述的可調延遲線，使得馬赫曾得幹涉儀的兩個輸出端上測得的1550nm信號光功率分別為高功率和低功率，高功率表示信號光在此輸出端上為幹涉相長，低功率則表示幹涉相消；
3)將980nm控制光輸入所述的第一波分復用器的控制端；
4)調節980nm控制光的功率，使得1550nm信號光在幹涉儀的兩個輸出端的功率發生反轉，即原本高功率輸出變為低功率，原本低功率輸出變為高功率，實現對信號光的開關控制。
本發明原理是利用硫化鎢材料的熱光效應和波長相關吸收。硫化鎢對980nm光具有較強吸收，當980nm控制光通過波分復用器進入拉錐光纖後，硫化鎢材料吸收控制光，產生熱量，通過熱光效應改變其本身和拉錐光纖的折射率。當1550nm信號光通過拉錐光纖時，信號光的相位隨之改變，再經過幹涉儀的作用，將相位變化轉變成強度變化，實現980nm光對1550nm光的開關控制。在優選的參數條件下，本裝置對1550nm信號光的損耗約為3db，對980nm控制光的吸收約為5db。相移控制效率為0.0174π/mw，單位長度上的相移控制效率為0.0348π/mw/mm(相移控制效率除以沉積材料長度500微米)。該裝置的消光比為15db，開關切換時間為約7.3毫秒。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：
本發明通過將硫化鎢沉積在拉錐光纖上，光場與硫化鎢材料的作用長度僅為500微米，具有實現緊湊器件結構的可能性。利用硫化鎢的波長相關吸收，選擇吸收強的980nm波長作為控制光，吸收弱的1550nm波長作為信號光，獲得了約3db的信號光損耗和0.0348π/mw/mm的相移控制效率。相比於背景技術中的方法1(非線性光纖)，本發明結構更簡潔緊湊，成本更低。相比於背景技術中的方法2(半導體光放大器)，本發明光損耗更小，成本更低，結構更簡單。相比與背景技術中的方法3(石墨烯熱光)，本發明損耗更低，控制效率更高。
附圖說明
圖1是本發明光開光裝置的結構圖
圖中：1-1x2光纖耦合器，2-980/1550第一波分復用器，3-沉積有硫化鎢的拉錐光纖，4-980/1550第二波分復用器2，5-可調延遲線，6-2x2光纖耦合器
圖2是全光開關加980nm控制光前後的透射譜變化和相移控制效率測試結果圖，其中，(a)在施加980nm控制光前後透射譜變化，(b)是利用透射譜平移推算出的相移與控制光功率關係圖
圖3是全光開關的時域波形圖，(a)全光開關的時域波形圖，(b)是對單個信號光的輸出波形的放大顯示。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
圖1是本發明全光開光裝置的結構圖，由圖可見，本發明全光開關裝置，包括光纖馬赫曾得幹涉儀，其特點是在光纖馬赫曾得幹涉儀的一臂上，採用沉積有硫化鎢納米片的拉錐光纖3，具體結構是：1x2光纖耦合器1將輸入光分為兩路輸出光：一路輸出光經980/1550第一波分復用器2、沉積有硫化鎢的拉錐光纖3、980/1550第二波分復用器4，進入2x2光纖耦合器6的一個輸入端；1x2耦合器1的另一路輸出光經可調延遲線5進入所述的2x2光纖耦合器6的另一個輸入端，所述的第一波分復用器2的另一輸入端為控制光輸入端，所述的第二波分復用器4的第二輸出端為控制光的輸出端，所述的2x2光纖耦合器6的兩個輸出端為本全光開關的1550nm信號輸出端。
1550nm信號光從1x2耦合器1的輸入端輸入，從2x2耦合器6的兩個輸出端輸出。980nm控制光從980/1550第一波分復用器2的控制端輸入，從980/1550第二波分復用器4的控制端輸出。
上述全光開關裝置的操作方法，包括以下步驟：
1)將1550nm信號光通入馬赫曾得幹涉儀的輸入端，即通入1x2光纖耦合器的輸入端；
2)調節所述的可調延遲線5，使得馬赫曾得幹涉儀的兩個輸出端上測得的1550nm信號光功率分別為高功率和低功率，高功率表示信號光在此輸出端上為幹涉相長，低功率則表示幹涉相消；
3)將980nm控制光輸入所述的第一波分復用器2的控制端；
4)調節980nm控制光的功率，使得1550nm信號光在幹涉儀的兩個輸出端的功率發生反轉，即原本高功率輸出變為低功率，原本低功率輸出變為高功率，實現對信號光的開關控制。
所述的1550nm信號光的輸出形式是單模光纖，波長為1550nm。
所述的控制光的輸出形式是單模光纖，波長為980nm。
所述的1x2耦合器1和2x2耦合器6是光纖工作，輸入、輸出光纖是單模光纖，工作波長為1530-1590nm。
本發明的優選實施例中，耦合器1的耦合比為70:30，70％功率輸入第一波分復用器2，30％功率輸入可調延遲線5。2x2耦合器6的耦合比為50:50。
所述的第一波分復用器2和第二波分復用器4是光纖工作，輸入、輸出光纖是單模光纖，信號端到共用端的工作波長為1530-1590nm，控制端到共用端的工作波長為970-990nm。
所述的可調延遲線5是光纖工作，輸入、輸出光纖是單模光纖，工作波長為1530-1590nm。
所述的沉積有硫化鎢的拉錐光纖3是單模光纖工作。本發明的優選實施例中，拉錐光纖的直徑為10微米，硫化鎢通過液相剝離法製備，隨後通過光致沉積法沉積到拉錐光纖側面，沉積區域長度為500微米。
圖2(a)給出了本發明裝置在施加980nm控制光前後透射譜變化，由於980nm控制光引入的相移，透射譜發生了向右的平移，採用掃頻光源測試。圖2(b)是利用透射譜平移推算出的相移與控制光功率關係圖。可計算出相移控制效率為0.0174π/mw。
圖3給出了本發明裝置的時域波形。圖3(a)中灰色波形為施加的980nm控制光波形，黑色波形為一個輸出埠上測得的1550nm信號光的波形。圖3(b)是對單個信號光的輸出波形的放大顯示，並對上升沿和下降沿進行指數擬合，擬合得到的上升沿和下降沿時間常數分別為7.3ms和3.5ms。