全光开光装置及其操作方法与流程

本发明涉及全光开关装置，具体是一种通过马赫曾得干涉并结合硫化钨的波长选择性吸收实现的全光开关装置及其操作方法。

背景技术：

过渡金属硫化物是一种具有二维层状结构的纳米材料，具有丰富的光、电子学特性，受到国内外广泛关注。硫化钨作为一种过渡金属硫化物在2013年时被证实具有饱和吸收特性，并在2014年被发现具有光学非线性。将硫化钨作为饱和吸收体用于锁模激光器和调q激光器的实验结果也先后被报道。因此硫化钨在脉冲激光器、非线性光纤、光信号处理等领域有广泛的应用前景。

另一方面，全光信号处理因其具有高带宽和抗电磁干扰等优点日益受到重视。全光开关作为全光信号处理中的一种基本器件得到了广泛研究。已报到的全光开关的方案主要有以下几种：

方法1：基于非线性光纤克尔非线性。通过利用非线性光纤中的克尔非线性实现交叉相位调制等光光相互作用，从而实现全光信号处理。

方法2：基于半导体光放大器的载流子特性。通过利用半导体光放大器中载流子导致的交叉强度调制等实现光光相互作用，实现全光信号处理。

方法3：基于石墨烯热光效应。利用石墨烯吸热改变介质折射率的特性实现光强度或光相位的交叉调制，实现全光信号处理。

总之，以上的几种方法或者成本较高、或者体积较大、或者工艺复杂、或者效率不高。因此，需要一种方法能够在兼顾成本、体积、工艺和控制效率的同时，实现光场与光场的相互作用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种全光开关装置及其操作方法，该装置将硫化钨沉积在拉锥光纤上的方法并且结合马赫曾得干涉仪(mzi)来实现全光开关，利用硫化钨波长相关的吸收获得高控制效率和低信号损耗，该装置是一种兼容光纤系统、低成本、构造简单、高效的全光开光装置。

为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

一种全光开关装置，包括光纤马赫曾得干涉仪，其特点在于在光纤马赫曾得干涉仪的一臂上，采用沉积有硫化钨纳米片的拉锥光纤(3)，具体结构是1x2光纤耦合器将输入光分为两路输出光：一路输出光经980/1550第一波分复用器、沉积有硫化钨的拉锥光纤、980/1550第二波分复用器，进入2x2光纤耦合器的一个输入端；1x2耦合器的另一路输出光经可调延迟线进入所述的2x2光纤耦合器的另一个输入端，所述的第一波分复用器的另一输入端为控制光输入端，所述的第二波分复用器的第二输出端为控制光的输出端，所述的2x2光纤耦合器的两个输出端为本全光开关的1550nm信号输出端。

所述的拉锥光纤的直径为10微米，所述的拉锥光纤沉积硫化钨的长度约为500微米。

所述的980nm控制光是功率恒定的连续光，或脉冲光。

所述的980nm控制光波长的变化范围为974nm～982nm。

所述的1550nm信号光波长的变化范围为1530nm～1590nm。

所述的1x2耦合器的耦合比为70:30，所述的2x2耦合器的耦合比为50:50。

所述的第一波分复用器和第二波分复用器具有同一规格和型号。

上述全光开关装置的操作方法，包括以下步骤：

1)将1550nm信号光通入马赫曾得干涉仪的输入端，即通入1x2光纤耦合器的输入端；

2)调节所述的可调延迟线，使得马赫曾得干涉仪的两个输出端上测得的1550nm信号光功率分别为高功率和低功率，高功率表示信号光在此输出端上为干涉相长，低功率则表示干涉相消；

3)将980nm控制光输入所述的第一波分复用器的控制端；

4)调节980nm控制光的功率，使得1550nm信号光在干涉仪的两个输出端的功率发生反转，即原本高功率输出变为低功率，原本低功率输出变为高功率，实现对信号光的开关控制。

本发明原理是利用硫化钨材料的热光效应和波长相关吸收。硫化钨对980nm光具有较强吸收，当980nm控制光通过波分复用器进入拉锥光纤后，硫化钨材料吸收控制光，产生热量，通过热光效应改变其本身和拉锥光纤的折射率。当1550nm信号光通过拉锥光纤时，信号光的相位随之改变，再经过干涉仪的作用，将相位变化转变成强度变化，实现980nm光对1550nm光的开关控制。在优选的参数条件下，本装置对1550nm信号光的损耗约为3db，对980nm控制光的吸收约为5db。相移控制效率为0.0174π/mw，单位长度上的相移控制效率为0.0348π/mw/mm(相移控制效率除以沉积材料长度500微米)。该装置的消光比为15db，开关切换时间为约7.3毫秒。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明通过将硫化钨沉积在拉锥光纤上，光场与硫化钨材料的作用长度仅为500微米，具有实现紧凑器件结构的可能性。利用硫化钨的波长相关吸收，选择吸收强的980nm波长作为控制光，吸收弱的1550nm波长作为信号光，获得了约3db的信号光损耗和0.0348π/mw/mm的相移控制效率。相比于背景技术中的方法1(非线性光纤)，本发明结构更简洁紧凑，成本更低。相比于背景技术中的方法2(半导体光放大器)，本发明光损耗更小，成本更低，结构更简单。相比与背景技术中的方法3(石墨烯热光)，本发明损耗更低，控制效率更高。

附图说明

图1是本发明光开光装置的结构图

图中：1-1x2光纤耦合器，2-980/1550第一波分复用器，3-沉积有硫化钨的拉锥光纤，4-980/1550第二波分复用器2，5-可调延迟线，6-2x2光纤耦合器

图2是全光开关加980nm控制光前后的透射谱变化和相移控制效率测试结果图，其中，(a)在施加980nm控制光前后透射谱变化，(b)是利用透射谱平移推算出的相移与控制光功率关系图

图3是全光开关的时域波形图，(a)全光开关的时域波形图，(b)是对单个信号光的输出波形的放大显示。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明全光开光装置的结构图，由图可见，本发明全光开关装置，包括光纤马赫曾得干涉仪，其特点是在光纤马赫曾得干涉仪的一臂上，采用沉积有硫化钨纳米片的拉锥光纤3，具体结构是：1x2光纤耦合器1将输入光分为两路输出光：一路输出光经980/1550第一波分复用器2、沉积有硫化钨的拉锥光纤3、980/1550第二波分复用器4，进入2x2光纤耦合器6的一个输入端；1x2耦合器1的另一路输出光经可调延迟线5进入所述的2x2光纤耦合器6的另一个输入端，所述的第一波分复用器2的另一输入端为控制光输入端，所述的第二波分复用器4的第二输出端为控制光的输出端，所述的2x2光纤耦合器6的两个输出端为本全光开关的1550nm信号输出端。

1550nm信号光从1x2耦合器1的输入端输入，从2x2耦合器6的两个输出端输出。980nm控制光从980/1550第一波分复用器2的控制端输入，从980/1550第二波分复用器4的控制端输出。

上述全光开关装置的操作方法，包括以下步骤：

1)将1550nm信号光通入马赫曾得干涉仪的输入端，即通入1x2光纤耦合器的输入端；

2)调节所述的可调延迟线5，使得马赫曾得干涉仪的两个输出端上测得的1550nm信号光功率分别为高功率和低功率，高功率表示信号光在此输出端上为干涉相长，低功率则表示干涉相消；

3)将980nm控制光输入所述的第一波分复用器2的控制端；

4)调节980nm控制光的功率，使得1550nm信号光在干涉仪的两个输出端的功率发生反转，即原本高功率输出变为低功率，原本低功率输出变为高功率，实现对信号光的开关控制。

所述的1550nm信号光的输出形式是单模光纤，波长为1550nm。

所述的控制光的输出形式是单模光纤，波长为980nm。

所述的1x2耦合器1和2x2耦合器6是光纤工作，输入、输出光纤是单模光纤，工作波长为1530-1590nm。

本发明的优选实施例中，耦合器1的耦合比为70:30，70％功率输入第一波分复用器2，30％功率输入可调延迟线5。2x2耦合器6的耦合比为50:50。

所述的第一波分复用器2和第二波分复用器4是光纤工作，输入、输出光纤是单模光纤，信号端到共用端的工作波长为1530-1590nm，控制端到共用端的工作波长为970-990nm。

所述的可调延迟线5是光纤工作，输入、输出光纤是单模光纤，工作波长为1530-1590nm。

所述的沉积有硫化钨的拉锥光纤3是单模光纤工作。本发明的优选实施例中，拉锥光纤的直径为10微米，硫化钨通过液相剥离法制备，随后通过光致沉积法沉积到拉锥光纤侧面，沉积区域长度为500微米。

图2(a)给出了本发明装置在施加980nm控制光前后透射谱变化，由于980nm控制光引入的相移，透射谱发生了向右的平移，采用扫频光源测试。图2(b)是利用透射谱平移推算出的相移与控制光功率关系图。可计算出相移控制效率为0.0174π/mw。

图3给出了本发明装置的时域波形。图3(a)中灰色波形为施加的980nm控制光波形，黑色波形为一个输出端口上测得的1550nm信号光的波形。图3(b)是对单个信号光的输出波形的放大显示，并对上升沿和下降沿进行指数拟合，拟合得到的上升沿和下降沿时间常数分别为7.3ms和3.5ms。