本發(fā)明涉及全光開關(guān)裝置，具體是一種通過馬赫曾得干涉并結(jié)合硫化鎢的波長選擇性吸收實現(xiàn)的全光開關(guān)裝置及其操作方法。

背景技術(shù)：

過渡金屬硫化物是一種具有二維層狀結(jié)構(gòu)的納米材料，具有豐富的光、電子學(xué)特性，受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。硫化鎢作為一種過渡金屬硫化物在2013年時被證實具有飽和吸收特性，并在2014年被發(fā)現(xiàn)具有光學(xué)非線性。將硫化鎢作為飽和吸收體用于鎖模激光器和調(diào)q激光器的實驗結(jié)果也先后被報道。因此硫化鎢在脈沖激光器、非線性光纖、光信號處理等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

另一方面，全光信號處理因其具有高帶寬和抗電磁干擾等優(yōu)點日益受到重視。全光開關(guān)作為全光信號處理中的一種基本器件得到了廣泛研究。已報到的全光開關(guān)的方案主要有以下幾種：

方法1：基于非線性光纖克爾非線性。通過利用非線性光纖中的克爾非線性實現(xiàn)交叉相位調(diào)制等光光相互作用，從而實現(xiàn)全光信號處理。

方法2：基于半導(dǎo)體光放大器的載流子特性。通過利用半導(dǎo)體光放大器中載流子導(dǎo)致的交叉強(qiáng)度調(diào)制等實現(xiàn)光光相互作用，實現(xiàn)全光信號處理。

方法3：基于石墨烯熱光效應(yīng)。利用石墨烯吸熱改變介質(zhì)折射率的特性實現(xiàn)光強(qiáng)度或光相位的交叉調(diào)制，實現(xiàn)全光信號處理。

總之，以上的幾種方法或者成本較高、或者體積較大、或者工藝復(fù)雜、或者效率不高。因此，需要一種方法能夠在兼顧成本、體積、工藝和控制效率的同時，實現(xiàn)光場與光場的相互作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種全光開關(guān)裝置及其操作方法，該裝置將硫化鎢沉積在拉錐光纖上的方法并且結(jié)合馬赫曾得干涉儀(mzi)來實現(xiàn)全光開關(guān)，利用硫化鎢波長相關(guān)的吸收獲得高控制效率和低信號損耗，該裝置是一種兼容光纖系統(tǒng)、低成本、構(gòu)造簡單、高效的全光開光裝置。

為了解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種全光開關(guān)裝置，包括光纖馬赫曾得干涉儀，其特點在于在光纖馬赫曾得干涉儀的一臂上，采用沉積有硫化鎢納米片的拉錐光纖(3)，具體結(jié)構(gòu)是1x2光纖耦合器將輸入光分為兩路輸出光：一路輸出光經(jīng)980/1550第一波分復(fù)用器、沉積有硫化鎢的拉錐光纖、980/1550第二波分復(fù)用器，進(jìn)入2x2光纖耦合器的一個輸入端；1x2耦合器的另一路輸出光經(jīng)可調(diào)延遲線進(jìn)入所述的2x2光纖耦合器的另一個輸入端，所述的第一波分復(fù)用器的另一輸入端為控制光輸入端，所述的第二波分復(fù)用器的第二輸出端為控制光的輸出端，所述的2x2光纖耦合器的兩個輸出端為本全光開關(guān)的1550nm信號輸出端。

所述的拉錐光纖的直徑為10微米，所述的拉錐光纖沉積硫化鎢的長度約為500微米。

所述的980nm控制光是功率恒定的連續(xù)光，或脈沖光。

所述的980nm控制光波長的變化范圍為974nm～982nm。

所述的1550nm信號光波長的變化范圍為1530nm～1590nm。

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

所述的第一波分復(fù)用器和第二波分復(fù)用器具有同一規(guī)格和型號。

上述全光開關(guān)裝置的操作方法，包括以下步驟：

1)將1550nm信號光通入馬赫曾得干涉儀的輸入端，即通入1x2光纖耦合器的輸入端；

2)調(diào)節(jié)所述的可調(diào)延遲線，使得馬赫曾得干涉儀的兩個輸出端上測得的1550nm信號光功率分別為高功率和低功率，高功率表示信號光在此輸出端上為干涉相長，低功率則表示干涉相消；

3)將980nm控制光輸入所述的第一波分復(fù)用器的控制端；

4)調(diào)節(jié)980nm控制光的功率，使得1550nm信號光在干涉儀的兩個輸出端的功率發(fā)生反轉(zhuǎn)，即原本高功率輸出變?yōu)榈凸β剩镜凸β瘦敵鲎優(yōu)楦吖β?，實現(xiàn)對信號光的開關(guān)控制。

本發(fā)明原理是利用硫化鎢材料的熱光效應(yīng)和波長相關(guān)吸收。硫化鎢對980nm光具有較強(qiáng)吸收，當(dāng)980nm控制光通過波分復(fù)用器進(jìn)入拉錐光纖后，硫化鎢材料吸收控制光，產(chǎn)生熱量，通過熱光效應(yīng)改變其本身和拉錐光纖的折射率。當(dāng)1550nm信號光通過拉錐光纖時，信號光的相位隨之改變，再經(jīng)過干涉儀的作用，將相位變化轉(zhuǎn)變成強(qiáng)度變化，實現(xiàn)980nm光對1550nm光的開關(guān)控制。在優(yōu)選的參數(shù)條件下，本裝置對1550nm信號光的損耗約為3db，對980nm控制光的吸收約為5db。相移控制效率為0.0174π/mw，單位長度上的相移控制效率為0.0348π/mw/mm(相移控制效率除以沉積材料長度500微米)。該裝置的消光比為15db，開關(guān)切換時間為約7.3毫秒。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明通過將硫化鎢沉積在拉錐光纖上，光場與硫化鎢材料的作用長度僅為500微米，具有實現(xiàn)緊湊器件結(jié)構(gòu)的可能性。利用硫化鎢的波長相關(guān)吸收，選擇吸收強(qiáng)的980nm波長作為控制光，吸收弱的1550nm波長作為信號光，獲得了約3db的信號光損耗和0.0348π/mw/mm的相移控制效率。相比于背景技術(shù)中的方法1(非線性光纖)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)更簡潔緊湊，成本更低。相比于背景技術(shù)中的方法2(半導(dǎo)體光放大器)，本發(fā)明光損耗更小，成本更低，結(jié)構(gòu)更簡單。相比與背景技術(shù)中的方法3(石墨烯熱光)，本發(fā)明損耗更低，控制效率更高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明光開光裝置的結(jié)構(gòu)圖

圖中：1-1x2光纖耦合器，2-980/1550第一波分復(fù)用器，3-沉積有硫化鎢的拉錐光纖，4-980/1550第二波分復(fù)用器2，5-可調(diào)延遲線，6-2x2光纖耦合器

圖2是全光開關(guān)加980nm控制光前后的透射譜變化和相移控制效率測試結(jié)果圖，其中，(a)在施加980nm控制光前后透射譜變化，(b)是利用透射譜平移推算出的相移與控制光功率關(guān)系圖

圖3是全光開關(guān)的時域波形圖，(a)全光開關(guān)的時域波形圖，(b)是對單個信號光的輸出波形的放大顯示。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1是本發(fā)明全光開光裝置的結(jié)構(gòu)圖，由圖可見，本發(fā)明全光開關(guān)裝置，包括光纖馬赫曾得干涉儀，其特點是在光纖馬赫曾得干涉儀的一臂上，采用沉積有硫化鎢納米片的拉錐光纖3，具體結(jié)構(gòu)是：1x2光纖耦合器1將輸入光分為兩路輸出光：一路輸出光經(jīng)980/1550第一波分復(fù)用器2、沉積有硫化鎢的拉錐光纖3、980/1550第二波分復(fù)用器4，進(jìn)入2x2光纖耦合器6的一個輸入端；1x2耦合器1的另一路輸出光經(jīng)可調(diào)延遲線5進(jìn)入所述的2x2光纖耦合器6的另一個輸入端，所述的第一波分復(fù)用器2的另一輸入端為控制光輸入端，所述的第二波分復(fù)用器4的第二輸出端為控制光的輸出端，所述的2x2光纖耦合器6的兩個輸出端為本全光開關(guān)的1550nm信號輸出端。

1550nm信號光從1x2耦合器1的輸入端輸入，從2x2耦合器6的兩個輸出端輸出。980nm控制光從980/1550第一波分復(fù)用器2的控制端輸入，從980/1550第二波分復(fù)用器4的控制端輸出。

上述全光開關(guān)裝置的操作方法，包括以下步驟：

1)將1550nm信號光通入馬赫曾得干涉儀的輸入端，即通入1x2光纖耦合器的輸入端；

2)調(diào)節(jié)所述的可調(diào)延遲線5，使得馬赫曾得干涉儀的兩個輸出端上測得的1550nm信號光功率分別為高功率和低功率，高功率表示信號光在此輸出端上為干涉相長，低功率則表示干涉相消；

3)將980nm控制光輸入所述的第一波分復(fù)用器2的控制端；

4)調(diào)節(jié)980nm控制光的功率，使得1550nm信號光在干涉儀的兩個輸出端的功率發(fā)生反轉(zhuǎn)，即原本高功率輸出變?yōu)榈凸β?，原本低功率輸出變?yōu)楦吖β?，實現(xiàn)對信號光的開關(guān)控制。

所述的1550nm信號光的輸出形式是單模光纖，波長為1550nm。

所述的控制光的輸出形式是單模光纖，波長為980nm。

所述的1x2耦合器1和2x2耦合器6是光纖工作，輸入、輸出光纖是單模光纖，工作波長為1530-1590nm。

本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，耦合器1的耦合比為70:30，70％功率輸入第一波分復(fù)用器2，30％功率輸入可調(diào)延遲線5。2x2耦合器6的耦合比為50:50。

所述的第一波分復(fù)用器2和第二波分復(fù)用器4是光纖工作，輸入、輸出光纖是單模光纖，信號端到共用端的工作波長為1530-1590nm，控制端到共用端的工作波長為970-990nm。

所述的可調(diào)延遲線5是光纖工作，輸入、輸出光纖是單模光纖，工作波長為1530-1590nm。

所述的沉積有硫化鎢的拉錐光纖3是單模光纖工作。本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，拉錐光纖的直徑為10微米，硫化鎢通過液相剝離法制備，隨后通過光致沉積法沉積到拉錐光纖側(cè)面，沉積區(qū)域長度為500微米。

圖2(a)給出了本發(fā)明裝置在施加980nm控制光前后透射譜變化，由于980nm控制光引入的相移，透射譜發(fā)生了向右的平移，采用掃頻光源測試。圖2(b)是利用透射譜平移推算出的相移與控制光功率關(guān)系圖?？捎嬎愠鱿嘁瓶刂菩蕿?.0174π/mw。

圖3給出了本發(fā)明裝置的時域波形。圖3(a)中灰色波形為施加的980nm控制光波形，黑色波形為一個輸出端口上測得的1550nm信號光的波形。圖3(b)是對單個信號光的輸出波形的放大顯示，并對上升沿和下降沿進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合得到的上升沿和下降沿時間常數(shù)分別為7.3ms和3.5ms。