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波长转换功能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。本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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波长转换功能的全光阈值器件，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波长转换功能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波长转换功能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波长转换功能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，饱和吸收体具有波长转换功能，用于抑制光脉冲信号中的噪声。

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。

本发明一实施方式中，光脉冲信号源用于产生光脉冲信号。

本发明一实施方式中，光脉冲信号源为可产生光脉冲信号的光纤通信系统。

本发明一实施方式中，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。

本发明一优选实施方式中，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与光纤耦合器的插入损耗之和。由于光脉冲信号后续还需经过光纤耦合器，考虑到光纤耦合器会存在一定的插入损耗，因此，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与光纤耦合器的插入损耗之和。

本发明一实施方式中，光脉冲信号源与光放大器通过光纤连接。

本发明一优选实施方式中，光纤为单模光纤。

本发明的全光阈值器件其基本原理是利用二维材料的波长转换功能，而波长转换功能的实现依赖于二维材料独特的饱和吸收效应，最后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信号(也称为开关光)工作在饱和吸收效应区域。本发明使用光放大器将光脉冲信号进行合理放大，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。

光脉冲信号经光放大器放大后进入光纤耦合器。

本发明一实施方式中，光放大器与光纤耦合器通过光纤连接。

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，待检测光信号源产生的待检测光信号为连续波。

待检测光信号源产生的待检测光信号与放大后的光脉冲信号通过光纤耦合器进行耦合，耦合后得到混合光。

本发明一实施方式中，光纤耦合器的耦合比为50:50。

本发明一实施方式中，混合光通过输出端输出，进入饱和吸收体中。

本发明一实施方式中，光纤耦合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。

待检测光信号与经过放大之后的光脉冲信号通过光纤耦合器一起进入包裹了二维材料的光波导，放大之后的光脉冲信号中大于或等于饱和吸收体的峰值饱和功率的信号(即开关光)将饱和二维材料饱和吸收体对待检测光信号的吸收，使待检测光信号获得对该结构在光脉冲信号时域内的透明(即被调制)。即该开关光时域内的待检测光可以通过饱和吸收体且开关光所携带的信号从开关光转移到待检测光。该有益效果也可以称为波长转换功能，即信号从波长位于强脉冲光处的光载波转换到波长位于待检测光处的光载波上。只有高峰值功率的光脉冲信号才可以对待检测光信号进行调制，而低功率的基底噪声不能对待测光信号进行调制。经过二维材料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。光信号能够顺利通过光学滤波器达到光电探测器判决恢复，而对于旁边的低功率基底噪声由于未能实现波长转换，不能透过光学滤波器从而被大幅度抑制，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，最终改进接收系统的误码率性能。

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。

本发明一实施方式中，混合光从饱和吸收体进入光学滤波器中。

本发明一实施方式中，饱和吸收体和光学滤波器通过光纤连接。

本发明一优选实施方式中，光纤为单模光纤。

该光学滤波器允许待测光信号的波长分量通过，而开关光的波长分量被滤除，因此经过二维材料饱和吸收体之后的混合光在通过光学滤波器之后，最终得到经过调制的待测光信号。其效果是实现了波长转换功能，即开关光所携带的信号从开关光波长成分转移到待测光波长成分。

本发明一实施方式中，光学滤波器为带通滤波器或带阻滤波器。

本发明将二维材料饱和吸收体所具有的波长转换功能用于全光阈值，恰恰发挥波长转换功能的“低阻高通”效应，通过将光通信系统接收到的光脉冲信号经过合理放大后(作为开关光)与另一束光(作为待检测光)进行耦合，耦合之后的混合光送入二维材料包覆的光学波导上(比如微纳光纤，但不局限于微纳光纤)，基于二维材料饱和吸收体的波长转换功能，只有在开关光脉冲功率比较强时才得以产生，即信号才能在新的波长分量上被检测到，而光功率比较弱时难以产生，即信号不能转换到新的波长分量上。之后再经过一个光学滤波器，该滤波器能够让待检测光的波长成分通过，而开关光的波长成分被滤除，经过滤波之后的光信号就是经过了波长转换功能之后的光信号。由于接收信号的低功率噪声基底不满足波长转换的条件而得到极大的抑制，而具备高峰值功率的信号本身则由于达到了波长转换功能的条件能够被检测到，最终进入探测器判决恢复，因此信号的质量得到改善，信噪比提升，光通信系统的接收性能得到改进。这是某种程度上的全光信号整形作用，符合作为一个阈值器件的典型功能特征，即大信号被检测，小信号被抑制。此外，由于采用与光纤通信系统兼容的传输波导(比如微纳光纤，但不局限于微纳光纤)，整个阈值器件结构简单，稳定性好。

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波长转换功能的全光阈值器件结构示意图；如图1，图1中2、4、6、8和10代表通信用单模光纤；1代表光脉冲信号源，3代表光放大器，5代表待检测光信号源，7代表光纤耦合器，9代表饱和吸收体，11代表光学滤波器，图中的箭头表示光传播方向。从光纤通信系统(即光脉冲信号源1)输入进来的光脉冲信号含有基底噪声，首先这些光信号通过光纤2被送入光放大器3(如EDFA)进行放大，经过放大后的光信号通过光纤4和待检测光信号源产生的待检测光信号通过光纤6一起进入光纤耦合器7，经过光纤耦合器7的耦合作用，待检测光信号和光脉冲信号形成混合光，混合光通过光纤8进入饱和吸收体9，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，放大后的光脉冲信号中大于或等于饱和吸收体的峰值饱和功率的信号将饱和二维材料饱和吸收体对待测光信号的吸收，使待测光信号获得对该结构在光脉冲信号时域内的透明(即被调制)。而低功率的基底噪声不能对待测光信号进行调制。经过二维材料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测光信号；此饱和吸收体将会对送入的光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光纤10进入光学滤波器11，该光学滤波器允许待测光信号的波长分量通过，而开关光的波长分量被滤除，因此经过二维材料饱和吸收体之后的混合光在通过光学滤波器之后，最终得到经过调制的待测光信号。其效果是实现了波长转换功能，即开关光所携带的信号从开关光波长成分转移到待测光波长成分。由于只有高峰值功率的光脉冲信号才能实现波长转换，而低功率的噪声基底不能够产生波长转换，因此通过检测新的波长分量即可实现抑制噪声的全光阈值整形作用，能够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，91代表光波导，92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。本发明将具备波长转换功能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。

本发明利用二维材料的波长转换功能(即饱和吸收效应)来实现全光阈值效果，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，最终改进接收系统的误码率性能。本发明所提出的全光阈值器件具有结构简单，稳定性好的优点。

本发明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，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，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，输出端与第三端连接，第四端与光学滤波器连接，形成基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件。

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波长转换功能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波长转换功能的全光阈值器件的应用，本发明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。

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波长转换功能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，获得放大后的光脉冲信号，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，放大后的光脉冲信号中大于或等于饱和吸收体的峰值饱和功率的信号对待检测光信号进行调制，使信号从波长位于光脉冲信号处的光载波转换到波长位于待检测光信号处的光载波上，光脉冲信号中小于峰值阈值功率的基底噪声信号被饱和吸收体强烈吸收，不能对待检测光信号进行调制，经过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；将混合光输入至光学滤波器中进行波长选择，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；最终使光脉冲信号中的基底噪声信号被抑制。

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实验测试示意图。图中，13、15、17、19、20和23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12发出的光脉冲信号经过高功率EDFA 14放大后送入可调谐光衰减器16，通过调节可调谐衰减器16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，光脉冲信号经过可调谐光衰减器16之后、在输入给饱和吸收体之前还需经过1×2的光耦合器18，其中的一个端口输出给光功率计22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21，在饱和吸收体21的输出端再连接一个光功率计24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，饱和吸收效应曲线示意图如图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，需要将光脉冲信号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)

由于考虑到结构配置中使用了光纤耦合器，光纤耦合器会存在一定的插入损耗，假设该损耗为L，用光放大器EDFA对光脉冲信号进行放大，那么最终所需的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+L (5)

公式(5)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(5)，才能使得强脉冲光(即开关光)饱和二维材料对另一束光(即待检测光)的吸收，使待检测光获得对该结构在开关光时域内的透明(即被调制)，该混合光再通过一个光学滤波器将开关光成分滤除，被调制的待测光信号几乎透明通过，使基底噪声信号被抑制，最终实现波长转换功能，发挥出波长转换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波长转换功能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

一种基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件，包括光脉冲信号源、掺铒光纤光放大器、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，饱和吸收体包括微纳光纤以及包覆在微纳光纤表面的石墨烯，饱和吸收体具有波长转换功能，用于抑制光脉冲信号中的噪声。

实施例2

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、半导体光放大器、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，饱和吸收体包括微纳光纤以及包覆在微纳光纤表面的黑磷，饱和吸收体具有波长转换功能，用于抑制光脉冲信号中的噪声。

实施例3

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、掺铒光纤光放大器、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，饱和吸收体包括半导体纳米线以及包覆在半导体纳米线表面的Bi₂Te₃，饱和吸收体具有波长转换功能，用于抑制光脉冲信号中的噪声。

实施例4

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、掺铒光纤光放大器、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，饱和吸收体包括半导体纳米线以及包覆在半导体纳米线表面的二硫化钼，饱和吸收体具有波长转换功能，用于抑制光脉冲信号中的噪声。

实施例5

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：

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，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通过单模光纤连接，第二端与第一输入端通过单模光纤连接，待检测光信号源与第二输入端通过单模光纤连接，输出端与第三端通过单模光纤连接，第四端与光学滤波器通过单模光纤连接，形成基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件。

实施例6

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：

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，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通过单模光纤连接，第二端与第一输入端通过单模光纤连接，待检测光信号源与第二输入端通过单模光纤连接，输出端与第三端通过单模光纤连接，第四端与光学滤波器通过单模光纤连接，其中，半导体纳米线与单模光纤通过耦合的方式连接，形成基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件。

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，图6为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效果示意图，图中25代表放大后的光脉冲信号中大于或等于饱和吸收体的峰值饱和功率的信号；26代表放大后的光脉冲信号中的基底噪声；27代表待检测光信号(连续波)，用虚线表示不同的波长成分，下同；28代表波长转换之后的被调制的待检测光信号的脉冲部分；29代表波长转换之后的被调制的待检测光信号的基底噪声部分。从图6中可以看出，光脉冲信号(开关光)经过放大后与待检测信号27一起送入二维材料饱和吸收体完成波长转换功能之后，原先加载在开关光波长分量上的信号被转移至待检测光信号波长分量上，并且原先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25几乎被原样复制成波长位于待检测光信号波长分量处的脉冲信号28，而处于饱和吸收体的峰值阈值功率附近的基底噪声26得到极大的抑制，变成波长位于待测光信号波长分量处的基底噪声29。因此，本发明提供的基于二维材料波长转换功能的全光阈值器件可以降低光脉冲信号中噪声，改善了信号的质量。

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。