一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，包括光脉冲信号源、光放大器、待检测光信号源、光纤耦合器、饱和吸收体和光学滤波器，光放大器设有第一端和第二端，光纤耦合器设有第一输入端、第二输入端和输出端，饱和吸收体设有第三端和第四端，第一端与光脉冲信号源连接，第二端与第一输入端连接，待检测光信号源与第二输入端连接，光脉冲信号源产生的光脉冲信号经光放大器放大后与待检测光信号源产生的待检测光信号一同进入光纤耦合器进行耦合，耦合后形成的混合光通过输出端输出，输出端与第三端连接，第四端与光学滤波器连接，饱和吸收体包括光波导以及包覆在光波导表面的二维材料。该全光阈值器件结构简单，提高了信号的信噪比。

All optical threshold device based on two-dimensional material wavelength conversion function and preparation method and application thereof

The present invention provides a two-dimensional material wavelength conversion function based on threshold devices, including optical pulse signal source, optical amplifier, the detected optical signal source, optical fiber coupler, saturable absorber and optical filter, optical amplifier is provided with a first end and a second end, the optical fiber coupler is provided with a first input terminal, a second input and output the end, the saturable absorber has third and fourth ends, the first end and the optical pulse signal source, second terminal and the first input terminal connected to the optical signal source and the second input end connection, optical pulse signal pulse signal source produced by optical amplifier and optical signal to be detected by detecting the light source signal together into the optical fiber coupler coupling, hybrid coupling formed after the light output through the output end, the output end and the third end connected to the fourth ends of the optical filter The saturable absorber comprises an optical waveguide and a two-dimensional material coated on the surface of the optical waveguide. The optical threshold device is simple in structure and improves the signal to noise ratio (SNR).

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电子
，具体涉及一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件及其制备方法和应用。
技术介绍
全光信号处理是光纤通信系统重要的发展趋势和研究方向。在基于归零码(Return to Zero，RZ)或窄脉冲的数字光通信系统中，例如在光码分多址(Optical Code Division Multiple Access，OCDMA)和光时分复用(Optical Time Division Multiple Access，OTDMA)通信系统中，系统接收端接收到的光脉冲信号往往都存在一定量基底噪声，比如放大器所引入的自发辐射噪声(ASE噪声)、多用户接入干扰噪声(MAI噪声)等，而这种干扰噪声的存在将严重恶化接收光脉冲信号的信噪比，接收判决难度加大，容限降低，恶化接收机的接收灵敏度，最终影响到数字光通信系统的信号接收性能。因此，如何消除包括MAI噪声在内的噪声基底是光多址接入通信系统中的一个关键问题。全光阈值技术是消除MAI噪声中的关键技术之一，近年来，这种技术引起了学术界的广泛关注。目前，已有多种光阈值技术被提出，其中最为常见的方法是利用光纤或半导体介质中的非线性效应来实现的，实现原理主要包括基于自相位调制效应(SPM)、交叉相位调制效应(XPM)以及二次谐波产生(SHG)。这些方法的核心思想是：接收端的信息信号一般具有足够高的瞬时峰值功率，能在非线性介质中产生非线性效应，通过产生新的频率分量，使得信息信号被保存下来；而MAI等基底噪声因功率较低，不足以产生非线性效应，因而当它通过非线性介质中时就会被滤除。基于SPM和XPM的阈值技术通常需要较长的非线性光纤，损耗较大且稳定性较差，特别是基于XPM的方案，在所需光功率较高的同时，其系统结构也极为复杂。为了简化阈值技术的系统结构同时降低所需的光信号功率，有学者提出了利用周期极化铌酸锂(PPLN)晶体中SHG效应来实现阈值判决的方案，系统中的PPLN是一种新型的高非线性半导体器件，当带有MAI噪声的脉冲信号输入PPLN中，正确的码元脉冲具有足够峰值功率光脉冲在PPLN传输时将产生SHG效应，而MAI噪声的峰值功率不足以产生SHG效应，通过将在PPLN中产生的二倍频信号滤出即可实现阈值判决，然而SHG波长的光信号将难以在光纤中实现传输及处理。为解决这个问题，有人提出了将SHG与XPM相结合的技术方案。在PPLN中XPM效应的作用下，SHG产生的二倍频光将变频至C波段，与单独基于SHG的阈值技术相比，这种改进后的阈值技术的实现成本和复杂度大幅提高。与此同时，PPLN作为一种新型半导体器件，其成本极其高昂，因此难以得到广泛应用。因此，目前的这些阈值器件需要较长的非线性光纤或者需要昂贵的PPLN半导体器件。因此，有必要提供一种结构简单、稳定性好且成本较低的全光阈值器件。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，所述基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件的结构简单，稳定性较好，成本较低。本专利技术还提供了所述基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件的制备方法和应用。本专利技术第一方面提供了一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，包括光脉冲信号源、光放大器、待检测光信号源、光纤耦合器、饱和吸收体和光学滤波器，所述光放大器设有第一端和第二端，所述光纤耦合器设有第一输入端、第二输入端和输出端，所述饱和吸收体设有第三端和第四端，所述第一端与所述光脉冲信号源连接，所述第二端与所述第一输入端连接，所述待检测光信号源与所述第二输入端连接，所述光脉冲信号源产生的光脉冲信号经所述光放大器放大后与所述待检测光信号源产生的待检测光信号一同进入所述光纤耦合器进行耦合，耦合后形成的混合光通过所述输出端输出，所述输出端与所述第三端连接，所述第四端与所述光学滤波器连接，所述饱和吸收体包括光波导以及包覆在光波导表面的二维材料，所述饱和吸收体具有波长转换功能，用于抑制所述光脉冲信号中的噪声。其中，所述二维材料包括石墨烯、黑磷、拓扑绝缘体和过渡金属硫化物中的至少一种。其中，所述光波导为微纳光纤或纳米线。其中，所述光放大器为掺铒光纤光放大器或半导体光放大器。其中，所述待检测光信号为连续波。其中，所述光学滤波器为带通滤波器或带阻滤波器。其中，所述光脉冲信号经所述光放大器放大后的峰值功率大于或等于所述饱和吸收体的峰值饱和功率与所述光纤耦合器的插入损耗之和。本专利技术第一方面提供的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件结构非常简单，成本较低。另外，该全光阈值器件中不需要使用非线性光纤或者昂贵的PPLN半导体器件，从而避免了使用非线性光纤带来的损耗较大和稳定性差的缺陷以及成本较高的缺陷。该全光阈值器件可以用于提高接收信号的信噪比，改善信号质量，有利于提高光通信系统接收判决性能。本专利技术第二方面提供了一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件的制备方法，包括以下步骤：将二维材料包覆在光波导的表面，形成饱和吸收体；提供光脉冲信号源、光放大器、待检测光信号源、光纤耦合器和光学滤波器，所述光放大器设有第一端和第二端，所述光纤耦合器设有第一输入端、第二输入端和输出端，所述饱和吸收体设有第三端和第四端，所述第一端与所述光脉冲信号源连接，所述第二端与所述第一输入端连接，所述待检测光信号源与所述第二输入端连接，所述输出端与所述第三端连接，所述第四端与所述光学滤波器连接，形成基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件。其中，采用光纤光镊的方法或者撕胶带的方法将所述二维材料包覆在所述光波导的表面。本专利技术第二方面提供的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件的制备方法简单、易操作。本专利技术第三方面提供了一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件的应用，所述第一方面所述的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件用于全光信号处理过程中降低光脉冲信号中噪声的方法，包括以下步骤：(1)绘制饱和吸收体的饱和吸收效应曲线，根据所述饱和吸收效应曲线得到所述饱和吸收体的平均阈值功率和平均饱和功率；(2)将所述饱和吸收体的平均阈值功率和所述平均饱和功率转换成峰值阈值功率和峰值饱和功率；(3)采用光放大器对接收到的光脉冲信号进行功率放大，获得放大后的光脉冲信号，所述放大后的光脉冲信号的峰值功率大于或等于饱和吸收体的峰值饱和功率与光纤耦合器的插入损耗之和；(4)将待检测光信号和所述放大后的光脉冲信号输入至光纤耦合器中进行耦合后再输入至饱和吸收体中，所述放大后的光脉冲信号中大于或等于所述饱和吸收体的峰值饱和功率的信号对所述待测光信号进行调制，使信号从波长位于所述光脉冲信号处的光载波转换到波长位于所述待检测光信号处的光载波上；所述光脉冲信号中小于峰值阈值功率的基底噪声信号被所述饱和吸收体强烈吸收，不能对待测光信号进行调制，经过所述饱和吸收体之后的混合光同时包含有光脉冲信号和被调制了的待检测光信号；将所述混合光输入至光学滤波器中进行波长选择，所述光学滤波器允许被调制了的待检测光信号的波长分量通过，而光脉冲信号的波长分量被滤除；最终使所述光脉冲信号中的基底噪声信号被抑制。本专利技术第三方面提供的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件的应用，所述基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件可用于全光信号处理，从而降低光脉冲信号中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，其特征在于，包括光脉冲信号源、光放大器、待检测光信号源、光纤耦合器、饱和吸收体和光学滤波器，所述光放大器设有第一端和第二端，所述光纤耦合器设有第一输入端、第二输入端和输出端，所述饱和吸收体设有第三端和第四端，所述第一端与所述光脉冲信号源连接，所述第二端与所述第一输入端连接，所述待检测光信号源与所述第二输入端连接，所述光脉冲信号源产生的光脉冲信号经所述光放大器放大后与所述待检测光信号源产生的待检测光信号一同进入所述光纤耦合器进行耦合，耦合后形成的混合光通过所述输出端输出，所述输出端与所述第三端连接，所述第四端与所述光学滤波器连接，所述饱和吸收体包括光波导以及包覆在光波导表面的二维材料，所述饱和吸收体具有波长转换功能，用于抑制所述光脉冲信号中的噪声。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，其特征在于，包括光脉冲信号源、光放大器、待检测光信号源、光纤耦合器、饱和吸收体和光学滤波器，所述光放大器设有第一端和第二端，所述光纤耦合器设有第一输入端、第二输入端和输出端，所述饱和吸收体设有第三端和第四端，所述第一端与所述光脉冲信号源连接，所述第二端与所述第一输入端连接，所述待检测光信号源与所述第二输入端连接，所述光脉冲信号源产生的光脉冲信号经所述光放大器放大后与所述待检测光信号源产生的待检测光信号一同进入所述光纤耦合器进行耦合，耦合后形成的混合光通过所述输出端输出，所述输出端与所述第三端连接，所述第四端与所述光学滤波器连接，所述饱和吸收体包括光波导以及包覆在光波导表面的二维材料，所述饱和吸收体具有波长转换功能，用于抑制所述光脉冲信号中的噪声。2.如权利要求1所述的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，其特征在于，所述二维材料包括石墨烯、黑磷、拓扑绝缘体和过渡金属硫化物中的至少一种。3.如权利要求1所述的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，其特征在于，所述光波导为微纳光纤或纳米线。4.如权利要求1所述的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，其特征在于，所述光放大器为掺铒光纤光放大器或半导体光放大器。5.如权利要求1所述的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，其特征在于，所述待检测光信号为连续波。6.如权利要求1所述的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，其特征在于，所述光学滤波器为带通滤波器或带阻滤波器。7.如权利要求1所述的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，其特征在于，所述光脉冲信号经所述光放大器放大后的峰值功率大于或等于所述饱和吸收体的峰值饱和功率与所述光纤耦合器的插入损耗之和。8.一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二维材料包覆在光波导的表面，形成饱和吸收体；提供光脉冲信号源、光放大器、待检测光信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晗，郑吉林，王可，杨正华，梁志明，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44