一种硼化钛纳米粒子在制作光调制器中的应用

1.本发明属于光调制技术领域，具体涉及一种硼化钛纳米粒子在制作光调制器中的应用。


背景技术：

2.随着现代科学技术的发展，光调制器是高速、短距离光通信的关键器件，是最重要的集成光学器件之一。在整体光通信的光发射、传输、接收过程中,光调制器被用于控制光的强度,其作用是非常重要的。
3.传统的调制中主要利用激光作为载波进行调制的过程。激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，能传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密。其中在传统的激光调制中应用比较广泛的是就是激光调制主要可分为内调制和外调制两类。外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的参数。所以外部调制必须引入驱动信号来进行调制，并且比较复杂，成本较大。而内调制即可在不用引入外来驱动的前提下，实现调制。它是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调制的目的。这种内调制方式简单、经济、容易实现，本发明涉及的光调制器为内调制，通过放置调制元件，用泵浦信号控制调制元件，以改变谐振腔的参数，从而改变激光的输出特性，实现调制作用。因此光纤内调制成为调制器内的的研究热点，具有极大的研究意义。
4.光调制器内部利用可饱和吸收体的特性对激光进行调制，从而将连续光转换为脉冲光，应用前景非常广泛，并且寻求调制深度大、稳定性高的可饱和吸收体成为内部光调制的研究热点，它整个装置简单、方便操作，通过更换不同浓度的可饱和吸收体材料，即可在不同波段实现脉冲光输出，并且既可实现皮秒的脉冲宽度，也可以实现飞秒脉冲，研究前景广泛，具有研究价值。可应用行业包括激光光纤通讯、工业造船、汽车制造、金属零件熔覆、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。


技术实现要素：

5.为了克服上述问题，本发明提供了一种硼化钛纳米粒子在制作光调制器中的应用；硼化钛作为可饱和吸收体进行光调制的制备，采取在d型光纤沉积的方法实现；其应用可在1560nm波段实现调q激光和锁模激光，在2000nm波段实现锁模激光，是一种全光纤调制装置，其不需要向激光器引入外部信号来产生脉冲，并且具有很强的非线性可饱和吸收能力，为新型的光纤调制器方面提供了新途径。
6.一种硼化钛纳米粒子在制备可饱和吸收体中的应用，硼化钛纳米粒子用于光调制器中制备可饱和吸收体的应用。
7.一种基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体，是一种基于硼化钛纳米粒子涂覆d型光纤的可饱和吸收体。
8.一种基于硼化钛纳米粒子涂覆d型光纤的可饱和吸收体是由硼化钛纳米粒子和去离子水按照1mg的硼化钛纳米粒子配比10ml去离子水的比例混合，超声分散4小时，将超声分散后的混合溶液涂覆于d型或拉锥光纤的表面，在真空密闭容器中自然干燥，水分蒸发，硼化钛纳米粒子粉末覆盖在d型或拉锥光纤表面即为可饱和吸收体。
9.一种硼化钛纳米粒子作为光调制器的应用。
10.一种基于硼化钛纳米粒子的光调制器，包括光源模块1、耦合器2、检测模块3、基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4、偏振控制器5、隔离器6、增益光纤7、波分复用器8；其中
11.光源模块1发射的激光入射进入耦合器2，经耦合器2处理后，从耦合器2出射的光10％入射进入检测模块3，其余90％的光入射进入基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4，随后光纤从基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4出射进入偏振控制器5，经偏振控制器5调整偏振态后的光纤从偏振控制器5出射进入隔离器6，经隔离器6隔离后的光纤出射进入增益光纤7，增益光纤7对光信号进行放大，放大后的光纤从增益光纤7出射进入波分复用器8，从波分复用器8出射的光纤入射进入耦合器2，形成环形腔结构。
12.所述光源模块1为泵浦光源，偏振控制器5为线偏振控制器，耦合器2采用10db的光耦合器，隔离器6为1560nm偏振无关光纤隔离器，波分复用器8为980/1560nm的波分复用器，增益光纤7为掺铒光纤，检测模块3为光谱仪或示波器。
13.所述光源模块1与耦合器2之间、耦合器2与检测模块3之间、检测模块3与基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4之间、基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4与偏振控制器5之间、偏振控制器5与隔离器6之间、隔离器6与增益光纤7之间、增益光纤7与波分复用器8之间、波分复用器8与耦合器2之间均使用单模光纤smf-28连接。
14.当所述光源模块1为泵浦光源，具体为980nm泵浦激光器，偏振控制器5为线偏振控制器，耦合器2采用10db的光耦合器，隔离器6为1560nm偏振无关光纤隔离器，波分复用器8为980/1560nm的波分复用器，增益光纤7为掺铒光纤，更具体为20cm长的铒掺杂的石英光纤时，一种基于硼化钛纳米粒子的光调制器能够实现在1560nm波段实现调q激光和锁模激光。
15.当所述光源模块1为泵浦光源，具体为1570nm泵浦激光器，偏振控制器5为线偏振控制器，耦合器2采用10db的光耦合器，隔离器6为1980nm偏振无关光纤隔离器，波分复用器8为1550/1980nm的波分复用器，增益光纤7为掺铥光纤，更具体为20cm长的铥掺杂的石英光纤时，一种基于硼化钛纳米粒子的光调制器能够实现在2000nm波段实现锁模激光。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果：
17.(1)与传统的激光外调制器相比，稳定性强、灵敏度高、结构简单、抗电磁干扰。
18.(2)是一种将超快激光器的产生与光调制进行结合，全光纤式光调制器，具有重要意义。
19.(3)在不同波段时可作为产生飞秒、纳秒脉冲的激光器，在近红外波段产生脉冲光，扩大该发明的应用范围。
20.(4)d型光纤可以进一步提高导光和可饱和吸收体之间更长的非线性相互作用长度的损伤阈值。此外，可以灵活控制硼化钛层和d形区域的厚度和长度来调整可饱和吸收体的性能。
21.附图
22.图1为本发明实施例1所述的硼化钛纳米颗粒在1532nm产生调q的光谱图；
23.图2为本发明实施例2所述的硼化钛纳米颗粒在1532nm产生锁模的光谱图；
24.图3为本发明实施例3所述的硼化钛纳米颗粒在1960nm产生锁模的光谱图；
25.图4为本发明实施例所述的一种硼化钛纳米粒子光调制器的结构示意图；
26.其中：光源模块1、耦合器2、检测模块3、基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4、偏振控制器5、隔离器6、增益光纤7、波分复用器8。
具体实施方式
27.下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，这些实施方式仅起说明性作用，并不用于限定本发明。
28.一种基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体是基于硼化钛纳米粒子涂覆在d型光纤的可饱和吸收体，是由硼化钛纳米粒子和d型光纤结合在一起，得到由硼化钛纳米粒子和d型光纤组成的可饱和吸收体。具体制备方案为将1mg的硼化钛纳米粒子与10ml的去离子水混合，并进行超声分散4小时，将超声分散后的混合溶液涂覆于d型光纤的表面，在真空密闭容器中自然干燥，水分蒸发，硼化钛纳米粒子粉末覆盖在d型光纤表面即为可饱和吸收体。
29.光调制器基于可饱和吸收体的原理构建而成，同时既可实现在不同波段下产生锁模脉冲，还可实现产生调q脉冲。其实现光调制器的主要是输入的连续光在激光共振腔中的由于不同模式间引入固定的相位关系而产生的激光。这些模式之间的干涉会使激光产生一系列的脉冲。根据产生不同极短的持续时间，而形成锁模激光或者调q激光。将输入的连续光进行调制，形成脉冲光。
30.硼化钛纳米粒子光调制器的组成器件包括光源模块1、耦合器2、检测模块3、基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4、偏振控制器5、隔离器6、增益光纤7、波分复用器8，其中光源模块1为提供泵浦光源，其使用的器件为980nm或1570nm泵浦激光器，偏振控制器5用于调节光路中的偏振态，其使用的偏振控制器5为线偏振控制器5。耦合器2采用10db的光耦合器2，其作用为对输入、输出信号具有良好的隔离作用。选用1560nm/1980nm偏振无关光纤隔离器6，为了保证激光在激光腔内的单向运转，波分复用器8分别采用980/1560nm、1550/1980nm使其形成分路，用于将产生的脉冲光进行分路导出。沉积硼化钛纳米颗粒的d型光纤用于实现锁模或调q激光，所述d型光纤是通过将光纤沿轴向切除包层形成截面为d型抛磨面的光纤结构，其制备方法为首先通过向d型光纤上沉积硼化钛颗粒，将少量的硼化钛纳米粒子分布在水溶液中。通过连续超声处理获得稳定的悬浮液并且数小时内未发现沉淀物。然后将溶液滴在d型光纤上，在室温下干燥以形成沉积硼化钛纳米颗粒的d型光纤可饱和吸收体。随着硼化钛纳米粒子沉积到d型光纤上。形成沉积硼化钛纳米粒子的d型光纤。
31.如图4所示，光源模块1发射的激光入射进入耦合器2，激光经耦合器2处理后，从耦合器2出射的光10％入射进入检测模块3，用于检测光谱，其余90％的光重新进入环路，检测光谱仪中光谱变化情况，从而实现调制作用；入射入基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4，该部分作为可饱和吸收体是光调制器的主要部分，随后光纤从基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4出射进入偏振控制器5，经偏振控制器5调整偏振态后的光纤从偏振控制器5出射进入隔离器6，当达到所需偏振态时，在检测模块3能够观察到锁模或者调q激光现象的产
生，隔离器6对输入、输出光有着良好的隔离效果，经隔离器6隔离后的光纤出射进入增益光纤7，增益光纤7对光信号进行放大，放大后的光纤从增益光纤7出射进入波分复用器8，波分复用器8对光进行合并或者分离，在这里主要是连接光源与耦合器2，从波分复用器8出射的光纤入射进入耦合器2，形成环形腔结构。
32.由于光源模块1和波分复用器8都要接入耦合器2，为了防止光回到光源模块1，故光源模块1的光纤头采用单模光纤smf-28的斜口光纤头。
33.当所述光源模块1为泵浦光源，具体为980nm泵浦激光器，偏振控制器5为线偏振控制器，耦合器2采用10db的光耦合器，隔离器6为1560nm偏振无关光纤隔离器，波分复用器8为980/1560nm的波分复用器，增益光纤7为掺铒光纤，更具体为20cm长的铒掺杂的石英光纤时，一种基于硼化钛纳米粒子的光调制器能够实现在1560nm波段实现调q激光和锁模激光，。
34.当所述光源模块1为泵浦光源，具体为1570nm泵浦激光器，偏振控制器5为线偏振控制器，耦合器2采用10db的光耦合器，隔离器6为1980nm偏振无关光纤隔离器，波分复用器8为1550/1980nm的波分复用器，增益光纤7为掺铥光纤，更具体为20cm长的铥掺杂的石英光纤时，一种基于硼化钛纳米粒子的光调制器能够实现在2000nm波段实现锁模激光。
35.本发明中的沉积硼化钛纳米粒子的d型光纤也可用硼化钛纳米粒子薄膜、涂覆硼化钛纳米粒子的拉锥光纤等多种实现可饱和吸收体的方式代替，20cm长的铒掺杂或铥掺杂的石英光纤，作为激光产生的增益介质，检测模块3用于检测出现锁模时的中心波长，从而检测是否被调制，所选用的检测模块3为光谱仪，直接进行显示光强度信号。也可用示波器代替。将上述器件进行连接，各个部件腔内接头的地方均使用单模光纤smf-28连接，然后利用光纤焊接机焊接而成，这种焊接的方法能减小各个器件之间连接产生的损耗，减小阈值功率。通过自搭建掺铒或掺铥激光器中，在沉积硼化钛纳米粒子的d型光纤外部，通过调节偏振器的偏振态，观察光谱情况。
36.实施例1—由硼化钛纳米粒子与d型光纤结合制得的可饱和吸收体及用于1.56μm处调q激光输出；
37.1.样品制备
38.将1mg的硼化钛纳米粒子与10ml的去离子水混合，并进行超声分散4小时，将超声分散后的混合溶液涂覆于d型光纤的表面，在真空密闭容器中自然干燥，水分蒸发，硼化钛纳米粒子粉末覆盖在d型光纤表面即为基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4。
39.2.进行光纤激光器调q测试
40.本实施例1提供的一种基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4在1560nm处自搭建掺铒光纤激光器。本实施例1提供的光调制器主要由8部分构成，分别为：光源模块1、耦合器2、检测模块3、基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4、偏振控制器5、隔离器6、增益光纤7、波分复用器8。其中增益光纤7选择掺饵光纤适用1530-1610nm波段，符合实施例1的波段范围。光源模块1由980nm激光器提供泵浦光，经20cm的掺铒光纤作为增益光纤7来进行放大，选用1560nm偏振无关的隔离器6，选用线偏振控制器的偏振控制器5，检测模块3可用光谱仪或示波器。
41.其中，光源模块1由980nm半导体激光器作为抽运光源与耦合器2相连，将产生的脉冲光进行分路导出，90％的部分在激光腔内运转，10％的部分通过与脉冲光输出端连接接
入检测模块3—光谱仪。将光纤与基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4进行结合，输出后接入1560nm的10db偏振控制器5改变光路偏振态，为了保证激光在激光腔内单向运转，加入1560nm偏振无关光纤的隔离器6连接，对反射光进行阻拦，再将其光路中添加增益光纤7对光信号进行放大，本发明选用掺铒石英光纤作为增益光纤7。最后与980nm/1560nm波分复用器8进行连接，进行分路导出，980nm分支接入泵浦光源，1560nm分支形成环形腔结构，完成整个装置。整个实验装置中各个部件腔内接头的地方均使用单模光纤smf-28连接，然后利用光纤焊接机焊接而成，这种焊接的方法能减小各个器件之间连接产生的损耗，减小阈值功率。
42.如图1所示，制成了中心波长为1560nm的光调制器，这种基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体的调制深度为5.2％，饱和强度为2.92mw/cm2，非饱和损耗为34％，具有良好的可饱和吸收体特性。
43.实施例2—由硼化钛纳米粒子与d型光纤结合制得的可饱和吸收体及用于1.56μm处锁模激光输出；
44.1、样品制备
45.将1mg的硼化钛纳米粒子与10ml的去离子水混合，并进行超声分散4小时，将超声分散后的混合溶液涂覆于d型光纤的表面，在真空密闭容器中自然干燥，水分蒸发，硼化钛纳米粒子粉末覆盖在d型光纤表面即为基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4。
46.2、进行光纤激光器锁模测试
47.本实施例2提供的一种基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4在1560nm处自搭建掺铒光纤激光器。本实施例2提供的光调制器主要由8部分构成，分别为：光源模块1、耦合器2、检测模块3、基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4、偏振控制器5、隔离器6、增益光纤7、波分复用器8。其中掺饵光纤属于增益光纤7，适用1530-1610nm波段，符合实施例2的波段范围。
48.光源模块1由980nm激光器提供泵浦光，经20cm的掺铒光纤作为增益光纤7来进行放大，选用1560nm偏振无关的隔离器6，选用线偏振控制器的偏振控制器5，检测模块3可用光谱仪或示波器。
49.其中，光源模块1由980nm半导体激光器作为抽运光源与耦合器2相连，将产生的脉冲光进行分路导出，90％的部分在激光腔内运转，10％的部分通过与脉冲光输出端连接接入检测模块3—光谱仪。将光纤与基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4进行结合，输出后接入1560nm的10db偏振控制器5改变光路偏振态，为了保证激光在激光腔内单向运转，加入1560nm偏振无关光纤的隔离器6连接，对反射光进行阻拦，再将其光路中添加增益光纤7对光信号进行放大，本发明选用掺铒石英光纤作为增益光纤7。最后与980nm/1560nm波分复用器8进行连接，进行分路导出，980nm分支接入泵浦光源，1560nm分支形成环形腔结构，完成整个装置。整个实验装置中各个部件腔内接头的地方均使用单模光纤smf-28连接，然后利用光纤焊接机焊接而成，这种焊接的方法能减小各个器件之间连接产生的损耗，减小阈值功率。
50.与实施例1中的主要不同为，实施例2产生的为锁模激光为皮秒级别，实施例1产生的为纳秒级别。
51.如图2所示，制成了中心波长为1531nm的光调制器，这种基于硼化钛纳米粒子的可
饱和吸收体的调制深度为2.2％，饱和强度为2.67mw/cm2，非饱和损耗为58.4％，具有良好的可饱和吸收体特性。
52.实施例3—由硼化钛纳米粒子与d型光纤结合制得的可饱和吸收体及用于2μm处锁模激光输出；
53.1.样品制备
54.将1mg的硼化钛纳米粒子与10ml的去离子水混合，并进行超声分散4小时，将超声分散后的混合溶液涂覆于d型光纤的表面，在真空密闭容器中自然干燥，水分蒸发，硼化钛纳米粒子粉末覆盖在d型光纤表面即为基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4。
55.2.进行光纤激光器锁模测试
56.本实施例3提供的一种基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4在1960nm处的自搭建掺铥光纤激光器。本实施例2提供的光纤激光器即光调制器主要由8部分构成，分别为：光源模块1、耦合器2、检测模块3、基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4、偏振控制器5、隔离器6、增益光纤7、波分复用器8。其中增益光纤7选择掺铥光纤，适用1600nm-2200nm波段，符合实施例3的波段范围。
57.光源模块1由大功率光源激光器提供泵浦光接入2μm环形腔内，经20cm的掺铥增益光纤7进行放大，选用1980nm偏振无关隔离器6，通过调节线偏振控制器5的偏振态，接入耦合器2，最后检测模块3可用光谱仪3或示波器。
58.其中，光源模块1由大功率半导体激光器作为抽运光源与耦合器2相连，将产生的脉冲光进行分路导出，90％的部分在激光腔内运转，10％的部分通过与脉冲光输出端连接接入检测模块3—光谱仪。将光纤与基于硼化钛纳米粒子的可饱和吸收体4进行结合，输出后接入1980nm的10db偏振控制器5改变光路偏振态，为了保证激光在激光腔内单向运转，加入1980nm偏振无关光纤的隔离器6连接，对反射光进行阻拦，再将其光路中添加增益光纤7对光信号进行放大，本发明选用掺铥石英光纤作为增益光纤7。最后与1550nm/1980nm波分复用器8进行连接，进行分路导出，1550nm分支接入泵浦光源，1980nm分支形成环形腔结构，完成整个装置。整个实验装置中各个部件腔内接头的地方均使用单模光纤smf-28连接，然后利用光纤焊接机焊接而成，这种焊接的方法能减小各个器件之间连接产生的损耗，减小阈值功率。
59.如图3所示，制成了中心波长为1921nm的光调制器，与实施例1、2不同的是选用的增益光纤7为掺铥光纤作为放大，这种光调制器的调制深度为2.2％，饱和强度为5.34mw/cm2，非饱和损耗为58.3％，具有良好的可饱和吸收体特性。