一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件及其制备方法和应用与流程

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件及其制备方法和应用。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件，所述基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件的结构简单，稳定性较好，成本较低。本发明还提供了所述基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件的制备方法和应用。

本发明第一方面提供了一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件，包括沿光传播方向设置的光放大器以及与所述光放大器连接的饱和吸收体，所述饱和吸收体包括光波导以及包覆在所述光波导表面的二维材料。

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，所述拓扑绝缘体包括Bi₂Te₃、Bi₂Se₃和Sb₂Te₃中的至少一种，所述过渡金属硫化物包括二硫化钼和二硫化钨中的至少一种。

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，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。

其中，所述光放大器与所述饱和吸收体通过光纤连接。

本发明第一方面提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件，包括光放大器和饱和吸收体，该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。

本发明第二方面提供了一种基于二维材料饱和吸收效应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；

提供光放大器，将所述光放大器与所述饱和吸收体连接，形成基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件。

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。

本发明第二方面提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件的制备方法简单、易操作。

本发明第三方面提供了一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件的应用，所述基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件用于全光信号处理，所述基于二维材料饱和吸收效应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，使放大后的光脉冲信号的峰值功率大于或等于所述饱和吸收体的峰值饱和功率；

(4)将放大后的光脉冲信号输入至所述饱和吸收体中，所述光脉冲信号中的大于或等于所述饱和吸收体的峰值饱和功率的信号几乎透明通过，所述光脉冲信号中小于峰值阈值功率的信号被强烈吸收，从而降低光脉冲信号中的噪声。

本发明第三方面提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件的应用，所述基于二维材料饱和吸收效应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的噪声。

综上，本发明有益效果包括以下几个方面：

1、本发明提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件，结构非常简单，稳定性较好，成本较低。该全光阈值器件提高了接收信号的信噪比，改善了信号质量，有利于提高光通信系统接收判决性能；

2、本发明提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件的制备方法简单、易操作；

3、本发明提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件可以用于全光信号处理，从而降低光脉冲信号中的噪声。

附图说明

图1为本发明一实施方式提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件结构示意图；

图2为本发明一实施方式提供的饱和吸收体的微观结构示意图；

图3为本发明一实施方式提供的饱和吸收体的结构图；

图4为本发明一实施方式提供的饱和吸收体的饱和吸收效应曲线测试示意图；

图5为本发明一实施方式提供的饱和吸收体的饱和吸收效应曲线图；

图6为基于二维材料饱和吸收效应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效果示意图。

具体实施方式

以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

本发明第一方面提供了一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件，包括沿光传播方向设置的光放大器以及与光放大器连接的饱和吸收体，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。

本发明一实施方式中，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。

本发明一优选实施方式中，拓扑绝缘体包括Bi₂Te₃、Bi₂Se₃和Sb₂Te₃中的至少一种。

本发明一优选实施方式中，过渡金属硫化物包括二硫化钼和二硫化钨中的至少一种。

本发明一优选实施方式中，二维材料的尺寸大小为业界常规选择，在此不做特殊限定。

本发明利用二维材料的饱和吸收效应来实现全光阈值效果，二维材料的饱和吸收效应能够让高峰值功率的光信号几乎透明透射，而对于功率较低的光基底噪声信号强烈吸收，通过率较低，因此该饱和吸收效应可以对光通信系统的接收光信号起到全光阈值的效果。

本发明一实施方式中，光波导为微纳光纤或纳米线。

本发明一优选实施方式中，微纳光纤的直径为业界常规选择，在此不做特殊限定。

本发明一优选实施方式中，纳米线包括半导体纳米线。

本发明一优选实施方式中，纳米线的直径为业界常规选择，在此不做特殊限定。

本发明一优选实施方式中，当光波导为纳米线时，光纤和纳米线通过耦合的方式连接，具体耦合方式为业界常规选择。

本发明将二维材料包覆在光波导上形成饱和吸收体，该光波导可与光纤通信系统兼容，从而使得该全光阈值器件能够与光纤通信系统兼容，该全光阈值器件结构简单，稳定性强。

本发明一优选实施方式中，光放大器为掺铒光纤光放大器(EDFA)或半导体光放大器(SOA)。

本发明一实施方式中，光脉冲信号经光放大器放大后的峰值功率大于或等于饱和吸收体的峰值饱和功率。

本发明使用光放大器将系统接收的脉冲光信号进行合理放大，使得放大后的光信号功率水平刚好处于二维材料饱和吸收效应的作用区域，即光脉冲信号中心峰值功率达到二维材料的饱和功率点，几乎透明通过，而低功率的基底噪声处于阈值功率点以下，被强烈抑制。

本发明一实施方式中，光放大器与饱和吸收体通过光纤连接。

本发明一优选实施方式中，光纤为单模光纤。

本发明一实施方式中，该全光阈值器件可与光接收机连接。

图1为本发明一实施方式提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件结构示意图；如图1，图1中1、3和5代表通信用单模光纤；2代表光放大器；4代表饱和吸收体；图中的箭头表示光传播方向。光放大器包括第一输入端和第一输出端，饱和吸收体包括第二输入端和第二输出端，第一输入端可与其他器件如光纤通信系统通过光纤连接。第一输出端和第二输入端通过光纤连接，第二输出端可与其他接收器件如接收机通过光纤连接。这里的光纤可以选择通信用单模光纤。从光纤通信系统接收下来的光信号送入本发明的全光阈值器件中，输入进来的光脉冲信号含有基底噪声，首先这些光信号被送入光放大器2(如EDFA)进行放大，经过放大后的光信号通过光纤3进入饱和吸收体4，由于饱和吸收体中的微纳光纤或者纳米线表面的强倏逝波效应及功率密度增强使得光与包覆在光波导表面的二维材料发生强烈的非线性作用，产生了饱和吸收效应，此饱和吸收体将会对送入的脉冲信号进行全光阈值作用，明显抑制住基底噪声；最后经过全光阈值整形的光脉冲信号通过第二输出端输出，然后进入接收机的光电探测器，转换成电信号进行接收判决。

图2为本发明一实施方式提供的饱和吸收体的微观结构示意图；图3为本发明一实施方式提供的饱和吸收体的结构图；图2和图3中，41代表光波导，42代表包覆在光波导表面的二维材料。从图2和图3中可以看出，本发明提供的饱和吸收体包括光波导和包覆在光波导表面的二维材料。本发明将具备饱和吸收效应的二维材料包裹在光波导上，通过光波导表面的强倏逝波效应及功率密度增强使得光与包覆在光波导表面的二维材料发生强烈的非线性作用。该非线性作用的表现为：对输入的功率较低的光基底噪声信号强烈吸收，通过率较低，而对于输入的高峰值功率的光信号几乎透明透射。

本发明将二维材料的饱和吸收效应用作全光阈值器件，需要先将光通信系统接收到的脉冲光信号用光放大器进行放大，使得光脉冲信号的中心峰值功率达到饱和吸收曲线的饱和点或以上，而旁边基底噪声功率低于饱和吸收曲线的阈值功率；经过放大之后的光脉冲信号送入表面包覆了二维材料的光波导；由于二维材料的饱和吸收效应将会抑制功率较低的基底噪声，而具备较高中心峰值功率的信号脉冲将会几乎透明传输，因此起到了全光阈值效果，提高了接收信号的信噪比，改善了信号质量，有利于提高系统接收判决性能。

本发明第一方面提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件，包括光放大器和饱和吸收体，该全光阈值器件结构非常简单，成本较低。另外，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。

本发明第二方面提供了一种基于二维材料饱和吸收效应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表面，形成饱和吸收体；

提供光放大器，将光放大器与饱与吸收体通过光纤连接，形成基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件。

本发明一实施方式中，将二维材料包覆在光波导表面的方法具体不限，例如可采用光纤光镊或撕胶带的方法将二维材料包覆在光波导表面，这些方法为业界的常规选择。

本发明第二方面提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件的制备方法简单、易操作。

本发明第三方面提供了一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件的应用，本发明基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件用于全光信号处理。

本发明一实施方式中，全光阈值器件用于将待进入光接收机的光信号进行整形。

本发明一优选实施方式中，全光信号处理位于光接收机的光电探测器之前。

本发明全光阈值器件降低了基底噪声对于有用信号的干扰，起到改善信号质量，提高接收光信号的信噪比作用，最后经过全光阈值整形的光脉冲信号进入接收机的光电探测器，转换成电信号进行接收判决，改进接收机的误码率性能。

本发明提供的全光阈值器件，其根本原理是利用二维材料的饱和吸收效应来实现信号的全光整形作用，因此需要合理设置参数使得入射光脉冲工作在饱和吸收效应区域。

本发明一实施方式中，基于二维材料饱和吸收效应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，根据饱和吸收效应曲线得到饱和吸收体的平均阈值功率和平均饱和功率；

(2)将饱和吸收体的平均阈值功率和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，使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；

(4)将放大后的光脉冲信号输入至饱和吸收体中，光脉冲信号中的大于或等于饱和吸收体的峰值饱和功率的信号几乎透明通过，光脉冲信号中小于峰值阈值功率的信号被强烈吸收，从而降低光脉冲信号中的噪声。

本发明一优选实施方式中，步骤(1)中，通过实验测量出饱和吸收体的饱和吸收效应曲线，为光信号的功率工作区域提供依据。步骤(1)中饱和吸收效应曲线实验测试过程如图4所示。图4为本发明一实施方式提供的饱和吸收体的饱和吸收效应曲线测试示意图。图中，7、9、11、13、14和18均代表通信用单模光纤。

如图4所示，其测试过程为：脉冲激光器6发出的脉冲光经过高功率EDFA 8放大后送入可调谐光衰减器10，通过调节可调谐衰减器10的衰减大小来调节输入给包覆着二维材料的饱和吸收体SA的光功率大小，以便测试出饱和吸收效应曲线，脉冲光经过可调谐光衰减器10之后、在输入给饱和吸收体之前还需经过1×2的光耦合器12，其中光耦合器的一个端口输出给光功率计15用作监测输入光功率大小，另外一个端口输入给饱和吸收体16，在饱和吸收体16的输出端再连接一个光功率计17用于监测输出光功率大小。根据输出光功率大小绘制饱和吸收效应曲线，饱和吸收效应曲线图如图5所示。图5为本发明一实施方式提供的饱和吸收效应曲线图。由饱和吸收效应曲线可以得出阈值点P_a,th和饱和点P_a,sa。

本发明一优选实施方式中，步骤(2)中，测试出了饱和吸收效应曲线，需要将脉冲光的平均光功率转换成峰值光功率，其过程为：如果脉冲激光器的脉宽为W，脉冲激光器的周期为T，平均光功率为P_a，那么峰值光功率P_p为：

P_p＝P_a×T/W (1)

由公式(1)可以得出饱和吸收曲线相应的峰值阈值功率P_p,th和峰值饱和功率P_p,sa:

P_p,th＝P_a,th×T/W (2)

P_p,sa＝P_a,sa×T/W (3)

本发明一优选实施方式中，步骤(3)中，得出了饱和吸收效应曲线以及对应的峰值功率，需要针对性地用光放大器对系统接收到的光脉冲信号进行功率放大，其过程为：如果系统接收到的光信号脉宽为W_s，信号周期为T_s，为使得峰值功率达到饱和吸收效应曲线的峰值饱和功率P_p,sa，需要用光放大器EDFA对光脉冲信号进行放大，放大后的平均光功率P_a,EDFA应当满足：

P_a,EDFA≥P_p,sa×W_s/T_s (4)

公式(4)为能够达到全光阈值效果的必要条件，只有光放大器的输出功率满足公式(4)，才能发挥出饱和吸收效应作为全光阈值整形的能力。

本发明第三方面提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件可以用于全光信号处理，从而降低光信号中的噪声，提高了接收信号的信噪比，改善了信号质量，有利于提高光通信系统接收判决性能。

实施例1

一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件，包括沿光传播方向设置的掺铒光纤光放大器和饱和吸收体，掺铒光纤光放大器与饱和吸收体之间通过单模光纤连接，饱和吸收体包括微纳光纤以及包覆在微纳光纤表面的石墨烯。

实施例2

一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件，包括沿光传播方向设置的半导体光放大器和饱和吸收体，半导体光放大器与饱和吸收体之间通过单模光纤连接，饱和吸收体包括微纳光纤以及包覆在微纳光纤表面的黑磷。

实施例3

一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件，包括沿光传播方向设置的掺铒光纤光放大器和饱和吸收体，掺铒光纤光放大器与饱和吸收体之间通过单模光纤连接，饱和吸收体包括半导体纳米线以及包覆在半导体纳米线表面的Bi₂Te₃。

实施例4

一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件，包括沿光传播方向设置的掺铒光纤光放大器和饱和吸收体，掺铒光纤光放大器与饱和吸收体之间通过单模光纤连接，饱和吸收体包括半导体纳米线以及包覆在半导体纳米线表面的二硫化钼。

实施例5

一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件的制备方法，包括以下步骤：

通过光纤光镊的方法将石墨烯沉积、包覆在微纳光纤的表面，形成饱和吸收体；

提供掺铒光纤光放大器，将掺铒光纤光放大器与所述饱和吸收体通过单模光纤连接，形成基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件。

实施例6

一种基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件的制备方法，包括以下步骤：

通过撕胶带法的方法将石墨烯包覆在半导体纳米线的表面，形成饱和吸收体；

提供半导体光放大器，将半导体光放大器与所述饱和吸收体通过单模光纤连接，其中，半导体纳米线与单模光纤通过耦合的方式连接，形成基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件。

效果实施例

将实施例1制得的基于二维材料饱和吸收效应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，图6为基于二维材料饱和吸收效应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效果示意图，如图6中可以看出，光脉冲信号经过放大后，光脉冲信号进入饱和吸收体，光脉冲信号中处于饱和吸收体的峰值饱和功率附近的脉冲信号20几乎透明通过饱和吸收体，而处于饱和吸收体的峰值阈值功率附近的基底噪声21得到极大的抑制。因此，本发明提供的基于二维材料饱和吸收效应的全光阈值器件可以降低光脉冲信号中噪声，改善信号的质量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。