一种基于外场辅助控制的全光开关的制作方法

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种基于外场辅助控制的全光开关。

背景技术：

20世纪90年代以来，光通讯得到了迅速发展，作为光通信关键环节的光开关，其地位也越来重要。目前，光开关的驱动有两种方式：电控和光控。其中电控开关已经市场化，这类开关的缺点是需要经过光电转换，工作效率较低。全光开关作为集成光子学器件，是一种“以光控光”的开关，无需光电转换，完全利用光子和介质之间的相互作用来达到“开”、“关”的效果，在光通信、光计算和快速光信息处理等领域都具有非常广阔的应用前景，近年来，全光开关的研究一直是人们关注的焦点。

目前，研究较多的全光开关的实现方法主要有非线性干涉仪和非线性光纤光栅。

实现全光开关的非线性干涉仪分为双光束和多光束干涉仪，具体可分为双光束干涉的m-z、非线性sagnac干涉仪和多光束干涉的非线性f-p、环形腔干涉仪。介质折射率在强光作用下发生变化，引起两束传输光之间相位变化，输出端原有的相长干涉变为相消干涉，从而实现光开关。文献vol.16,no.1(2007)101–110和ieeeptl,vol.16,no.9,september2004有相关报道。而此类方法实现的光开关需要较高的阈值功率和较高非线性折射率系数的材料。非线性光纤光栅型光开关常见的有非线性布拉格光栅(fbg)、非线性长周期光栅(lpfg)等。由于kerr效应，当泵浦光入射到fbg后，光纤纤芯折射率发生变化，fbg反射谱中心波长随着泵浦光功率的增加而发生移动。当入射光波长恰好等于fbg中心波长时，信号光的反射光强达到最大，透射光强最小；中心波长移动原反射谱的半个峰宽时，信号光的反射光强最小，透射光强最大，实现了光栅对信号光的开关过程。lpfg原理上与fbg基本一致。文献ol,vol.22,no.12,15june,1997和ieeeptl,vol.12,no.1,january2000可见相关报道。而此类方法实现的光开关中基本元件fbg、lpfg，其中心波长随温度变化较大，影响实用。

而光学双稳态是一种新的非线性光学现象，也是实现全光开关的有效方式之一，具有开关速度快、不受电磁干扰等优点，近年来，以光学双稳装置作为一种全光开光一直是人们关注的焦点和研究热点。

专利cn101257178a利用光纤双稳态现象来实现全光开关，提供了一种双稳区间可调的环形双稳态掺铒光纤激光器，采用两个泵浦源分别注入到增益段和吸收段掺铒光纤中，通过调节注入到吸收段掺铒光纤中的泵浦光可以迅速改变其吸收性能，进而调节双稳态区间大小。采用两个泵浦源和两段掺铒光纤，结构较复杂。jungmioh等人在文献ieeejournalofquantumelectronics,vol.40,no.4,april2004中报道了段环形掺铒光纤激光器中强光学双稳态现象，通过控制掺铒光纤长度和激光波长来改变双稳区间大小，并且通过分析研究上述两个参量对掺铒光纤增益曲线的影响来解释这一物理现象。而在实际应用中，对于某一固定的掺铒光纤激光器，其掺铒光纤长度是一定的，激光器波长也需根据用户需求而定，因此这种方法实现的光开关意义不大，无法实际应用。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于外场辅助控制的全光开关，该全光开关结构简单，稳定性好，实际应用性强。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于外场辅助控制的全光开关，包括：环形掺铒光纤激光器和与所述环形掺铒光纤激光器相连的外控制场，所述外控制场包括可调谐激光器和与所述可调谐激光器相连的第一光纤隔离器，所述第一光纤隔离器的输出端与所述环形掺铒光纤激光器相连。

优选地，所述可调谐激光器的调谐波长为1495nm-1640nm，其调谐功率为2.0mw-4.2mw。

更优选地，所述可调谐激光器的调谐波长为1500nm-1520nm，其调谐功率为2.8mw。

优选地，所述环形掺铒光纤激光器包括呈环形依次连接的波分复用器、增益介质、光纤窄带滤波器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器，以及与所述波分复用器的输入端相连的半导体泵浦激光器，以及与所述第一光纤耦合器的输出端相连的光功率计；所述第二光纤耦合器的输入端与所述第一光纤隔离器的输出端相连。

在本发明中，波分复用器、增益介质、光纤窄带滤波器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器构成激光环形腔，半导体泵浦激光器出射泵浦激光由波分复用器端口耦合至激光环形腔内，在半导体泵浦激光器的作用下增益介质的基态原子受激吸收激发到亚稳态，此时高能级粒子数多于低能级，发生粒子数反转。半导体泵浦激光器出射泵浦激光功率处于激光器激光振荡阈值以下，注入外场后激光开始振荡，产生光学双稳态现象，可通过调节外场强度与波长控制双稳区间大小，从而实现光控光功能。

优选地，所述环形掺铒光纤激光器还包括第二光纤隔离器，所述第二光纤隔离器设置于所述光纤窄带滤波器与所述第一光纤耦合器之间。第二光纤隔离器保证激光环形腔内的激光单向传输，避免后向的放大自发辐射对激光的影响。

优选地，所述环形掺铒光纤激光器还包括第二光纤隔离器，所述第二光纤隔离器设置于所述第二光纤耦合器与所述波分复用器之间。

优选地，所述环形掺铒光纤激光器还包括第二光纤隔离器，所述第二光纤隔离器设置于所述增益介质与所述光纤窄带滤波器之间。

优选地，所述波分复用器为980/1550nm波分复用器。

优选地，所述窄带滤波器的中心波长为1550nm，所述窄带滤波器的3db带宽为1.2-1.6nm。

更优选地，所述窄带滤波器的3db带宽为1.4nm。

优选地，所述半导体泵浦激光器的波长为980nm或1480nm。

优选地，所述第一光纤耦合器包括分光比为5-25％的第一输出端和分光比为95-75％的第二输出端，其中，所述第一光纤耦合器的第一输出端与所述光功率计相连，所述第一光纤耦合器的第二输出端与所述第二光纤耦合器相连。

更优选地，所述第一光纤耦合器包括分光比为20％的第一输出端和分光比为80％的第二输出端。

优选地，所述第二光纤耦合器包括分光比为5-25％的第一输入端和分光比为95-75％的第二输入端，所述第二光纤耦合器的第一输入端与所述外控制场相连，所述第二光纤耦合器的第二输入端与第一光纤耦合器的第二输出端相连。

更优选地，所述第二光纤耦合器包括分光比为20％的第一输入端和分光比为80％的第二输入端。

如上所述，本发明的一种基于外场辅助控制的全光开关，具有以下有益效果：本发明采用外控制场对环形掺铒光纤激光器进行调控，可调谐激光器输出控制信号经光纤隔离器注入激光环形腔内，激光出现振荡，并出现光学双稳现象，环形掺铒光纤激光器的区间长度可通过由可调谐激光器输出的控制信号波长和功率进行调控。本发明结构简单，稳定性好，实际应用性强，可广泛应用于光通信、光计算和快速光信息处理等领域。

附图说明

图1显示为本发明的基于外场辅助控制的全光开关的结构示意图。

图2显示为本发明中当控制信号波长为1505nm时，激光输出功率与外控制场功率的相应关系图。

图3显示为本发明中当控制信号波长为1510nm时，激光输出功率与外控制场功率的相应关系图。

图4显示为本发明中当控制信号波长为1515nm时，激光输出功率与外控制场功率的相应关系图。

图5显示为本发明中当控制信号波长为1520nm时，激光输出功率与外控制场功率的相应关系图。

元件标号说明

1外控制场

11可调谐激光器

12第一光纤隔离器

2环形掺铒光纤激光器

21波分复用器

22增益介质

23光纤窄带滤波器

24第一光纤耦合器

25第二光纤耦合器

26第二光纤隔离器

27半导体泵浦激光器

28光功率计

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种基于外场辅助控制的全光开关，该全光开关无需光电转换，完全利用光子和介质之间的相互作用来达到“开”、“关”的效果，可应用于光通信、光计算和快速光信息处理等领域。请参阅图1，图1显示为基于外场辅助控制的全光开关的结构示意图，如图所示，基于外场辅助控制的全光开关包括外控制场1和环形掺铒光纤激光器2。

其中，外控制场1包括可调谐激光器11和第一光纤隔离器12，第一光纤隔离器12的输入端与可调谐激光器11相连，第一光纤隔离器12的输出端与环形掺铒光纤激光器相连。可调谐激光器11的调谐波长为1495nm-1640nm，其调谐功率为2.0mw-4.2mw。于实施例中，可调谐激光器11的调谐波长为1500nm-1520nm，其调谐功率为2.8mw。第一光纤隔离器12保证外场的单向传输，避免激光环形腔内激光对外控制场的控制激光的影响。

环形掺铒光纤激光器2包括呈环形依次连接的波分复用器21、增益介质22、光纤窄带滤波器23、第一光纤耦合器24、第二光纤耦合器25，以及与波分复用器21的输入端相连的半导体泵浦激光器27，以及与第一光纤耦合器24的输出端相连的光功率计28，以及第二光纤隔离器26；第二光纤耦合器25的输入端与第一光纤隔离器12的输出端相连。

本发明采用波分复用器21、增益介质22、光纤窄带滤波器23、第一光纤耦合器24和第二光纤耦合器25构成激光环形腔，半导体泵浦激光器27出射泵浦激光由波分复用器21端口耦合至激光环形腔内，在泵浦激光的作用下增益介质的基态原子受激吸收激发到亚稳态，此时高能级粒子数多于低能级，发生粒子数反转。半导体泵浦激光器27出射泵浦光功率处于激光器激光振荡阈值以下，注入外场后激光开始振荡，产生光学双稳态现象，可通过调节外场强度与波长控制双稳区间大小，从而实现光控光功能。

在本实施例中，第二光纤隔离器26设置于第二光纤耦合器25与波分复用器21之间。第二光纤隔离器26保证激光环形腔内的激光单向传输，避免后向的放大自发辐射对激光的影响。

在其它实施例中，可将第二光纤隔离器26设置于光纤窄带滤波器23与第一光纤耦合器24之间，或者，将第二光纤隔离器26设置于增益介质22与光纤窄带滤波器23之间。这些均属于本发明的保护范围。当然，此处所列举的位置关系为最优选的位置，在其它的实施例中，第二光纤隔离器26的位置可以根据实际需求进行选择，并不限定于此。

在本实施例中，所述波分复用器21选用980/1550nm波分复用器。

采用长度为25-35m的低掺杂的掺铒光纤作为增益介质2。于本实施例中，采用长度为30m的低掺杂的掺铒光纤作为增益介质2。

掺铒光纤在充足泵浦情况下是良好的增益介质，在无泵浦或注入其中的泵浦光很弱时是良好的非线性吸收体。本发明采用较长掺铒光纤作为增益介质2，当半导体泵浦激光器27功率固定在激光振动阈值以下，此时可将长度为l的掺铒光纤分成l1和l2两段，l＝l1+l2，前段l1吸收泵浦光可作为增益介质对信号光进行增益，后段l2未被泵浦则可作为吸收体吸收控制光。根据掺铒光纤的吸收与增益谱可知，当波长处于1500nm～1520nm时，掺铒光纤对其吸收大于增益，当该波段的控制信号注入环形腔内，l2段掺铒光纤首先达到饱和吸收，即控制场改变了l2段掺铒光纤的吸收性能。

窄带滤波器的中心波长为1550nm，窄带滤波器的3db带宽为1.2-1.6nm。在本实施例中，窄带滤波器的中心波长为1550nm，窄带滤波器的3db带宽为1.4nm，可实现波长为1550nm的激光输出。

半导体泵浦激光器27的波长为980nm/1480nm。在本实施例中，半导体泵浦激光器27的波长为980nm。半导体泵浦激光器27输出的980nm泵浦激光功率固定在激光振荡阈值以下，由可调谐激光器11输出控制信号经第一光纤隔离器12注入激光环形腔内，此时激光开始振荡，出现光学双稳现象，并且其区间长度(obregion)可通过由可调谐激光器11输出的控制信号波长和功率进行调控。

第一光纤耦合器24包括分光比为5-25％的第一输出端和分光比为95-75％的第二输出端，第一光纤耦合器24的第一输出端与光功率计28相连，第一光纤耦合器24的第二输出端与第二光纤耦合器25相连。在本实施例中，第一光纤耦合器24包括分光比为20％的第一输出端和分光比为80％的第二输出端，第一光纤耦合器24的分光比为20％的第一输出端与光功率计28相连，第一光纤耦合器24的分光比为80％的第二输出端与第二光纤耦合器25相连。即将激光环内20％的激光耦合输出，80％的激光在激光环形腔内振荡。

第二光纤耦合器25包括分光比为5-25％的第一输入端和95-75％的第二输入端，第二光纤耦合器25的第一输入端与外控制场1相连，第二光纤耦合器25的第二输入端与第一光纤耦合器24的第二输出端相连。在本实施例中，第二光纤耦合器25包括分光比为20％的第一输入端和分光比为80％的第二输入端，第二光纤耦合器25的分光比为20％的第一输入端与外控制场1相连，第二光纤耦合器25的分光比为80％的第二输入端与第一光纤耦合器24的分光比为80％的第二输出端相连。

请参阅图2至5，图2至5分别显示为当控制信号波长为1505nm、1510nm、1515nm、1520nm时，输出激光功率与外控制场功率相应关系图，可说明外控制场调控的双稳态区间长度大小的变化。其将泵浦激光功率固定在激光振荡阈值以内，第一光纤耦合器24的分光比为20％的第一输入端输出的激光经光功率计28测得功率，注入激光环形腔内的控制信号波长λc及功率pc可通过可调谐激光器调节。

在图2中，当λc＝1505nm时，从零逐渐增大功率，当pc调至2.0mw(上升沿阈值)时，激光环形腔内有激光输出，且激光输出功率随pc的增大而增加，若此时减小pc，激光不会消失，直到pc减小至0.6mw(下降沿阈值)，激光完全被抑制，双稳区间长度(obregion)为2.0mw-0.6mw＝1.4mw。在图3、图4、图5中，当控制信号波长λc＝1510nm、1515nm、1520nm时，同样可观察到双稳态的磁滞回线，双稳区间长度(obregion)分别为0.9mw、0.6mw、0.3mw。即对于1505nm、1510nm、1515nm、1520nm某一波长的控制激光注入激光环形腔内，都存在明显的光学双稳现象，且随着控制信号波长的增加，双稳态的磁滞回线宽度在一定程度上被压缩，即实现了外控制场对双稳区间长度的调控。

综上所述，本发明采用外控制场对环形掺铒光纤激光器进行调控，可调谐激光器输出控制信号经光纤隔离器注入激光环形腔内，激光出现振荡，并出现光学双稳现象，环形掺铒光纤激光器的区间长度可通过由可调谐激光器输出的控制信号波长和功率进行调控。本发明结构简单，稳定性好，实际应用性强，可广泛应用于光通信、光计算和快速光信息处理等领域。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。