CN107302178A - 基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器，由掺铒光纤放大器(1)、偏振控制器(2)、电光调制器(3)、光纤环形器(4)、二维材料光电器件(5)、窄带微波滤波器(6)、窄带微波放大器(7)、微波移相器(8)、可调光纤延时线(9)、20:80光纤耦合器(10)组成，其中二维材料光电器件(5)由源极(51)、漏极(52)、二维二硫化钨纳米薄片(53)、二维黑磷纳米薄片(54)、反射镜(55)、氧化硅衬底(56)组成，二维材料光电器件(5)有两个功能，既可以作为光电探测器，也可以作为可饱和吸收体。

Description

基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤通信和光电子技术领域，特别是一种基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器。
背景技术
光纤激光器具有光束质量好、效率高、稳定性好、结构紧凑、成本低廉、易于散热、易于实现高功率、易维护多种特点，受到人们的广泛关注。尤其是具有高光束质量、高输出功率、高稳定性的调、锁模脉冲光纤激光器，在生物医疗、激光通信、激光测距、激光武器、激光加工等多种领域有着广阔的应用前景。在现代众多的应用领域，特别是光学频率梳和光纤授时领域中，需要低时域抖动、高重复频率的飞秒脉冲。锁模技术可以实现高峰值功率的飞秒或皮秒量级的脉冲输出，锁模机制主要包括主动锁模、被动锁模以及主被动混合锁模三种。主动锁模可以提供较高的重复频率，被动锁模可以提供较窄的脉冲，而主被动联合锁模则既能提高脉冲的重复频率，又可以使脉冲变得更窄，但是主被动联合锁模会使激光器的结构变得复杂。
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器，该激光器中引入一种二维黑磷/过渡金属硫族化合物异质结器件，该器件既可以作为光电探测的作用，也有可饱和吸收体的作用，使得激光器的结构紧凑，产生的脉冲可应用于光纤通信、光纤传感等诸多领域。
发明内容：
再生锁模是主动锁模的一种，它是采用拍频反馈方法来控制调制频率进行锁模，通过反馈控制频率装置产生所需的与腔长相匹配的调制频率信号，从而保证腔内锁模脉冲稳定运转。
二维黑磷和二维过渡金属硫族化合物在自然条件下均为窄带隙半导体，其中二维黑磷薄片的带隙宽度范围为0.3eV-2.0eV(受黑磷厚度的影响)，为P型半导体二维过渡金属硫族化合物纳米薄片的带隙宽度在1.0eV-2.0eV之间，均为n型半导体。通过二维黑磷和过渡金属硫族化合物之间的范德瓦尔斯力结合，可进行新型异质结的制作。异质结广泛应用于各类光电器件的制作，本发明将其应用于光电探测器。经过一些电学和光学方面测试，获得了一些相对优异的性能，而且黑磷和二维过渡金属硫族化合物也可以做可饱和吸收体，因此可以将上述二维材料光电器件应用于激光器中。
本发明的技术方案：
一种基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器，由掺铒光纤放大器、偏振控制器、二维材料光电器件、电光调制器、光纤环形器、窄带微波滤波器、窄带微波放大器、微波移相器、可调光纤延时线、20:80光纤耦合器组成，其中二维材料光电器件由源极、漏极、二维二硫化钨纳米薄片、二维黑磷纳米薄片、反射镜、氧化硅衬底组成，其中电光调制器由a、b、c三个端口组成，光纤环形器由d、e、f三个端口组成，20:80光纤耦合器由h、i、j三个端口组成，其余器件均由两个端口组成，二维材料光电器件有两个端口：光端口和电端口；掺铒光纤放大器的输出端与偏振控制器的一端相连，偏振控制器的另一端与电光调制器的a端口相连接，电光调制器的b端口与光纤环形器的d端口相连，光纤环形器的e端口与二维材料光电器件的光端口相连接，二维材料光电器件的电端口与窄带微波滤波器的输入端相连接，窄带微波滤波器的输出端与窄带微波放大器的输入端相连，窄带微波放大器的输入端与微波移相器的输入端相连，微波移相器的输出端与电光调制器的c端口相连，光纤环形器的f端口与可调光纤延时线的输入端相连，可调光纤延时线的输出端与20:80光纤耦合器的g端口相连接，20:80光纤耦合器的h端口与掺铒光纤放大器的输入端相连接20:80光纤耦合器的i端口作为光纤激光器的输出端口；二维材料光电器件是二维二硫化钨纳米薄片和二维黑磷纳米薄片层叠的异质结，源极和漏极为导体铜，在异质结下方是一层反射镜，反射镜下方是氧化硅衬底，二维材料光电器件有两个功能，既可以作为光电探测器，也可以作为可饱和吸收体。
本发明的工作原理：
该激光器中，由掺铒光纤放大器为激光器的增益介质，产生自发辐射光，并对输入的光进行放大，偏振控制器用于调整谐振腔的偏振态，电光调制器为主动锁模器件，通过调节腔内光可变延时器使腔长与调制频率严格匹配，调制信号是由电滤波器从输出信号的拍频噪声中滤出，因此滤波器参数设置至关重要，它是决定利用拍频反馈控制调制频率实行再生锁模运转稳定程度的重要因素，腔内的光纤延时线用于微调谐振腔的腔长，以实现准确锁模；鉴于拍频信号的频率始终为纵模间隔的整数倍，为了获得频率纯度较高的所需调制频率信号，要求电滤波器的带宽很窄，至少要小于主动锁模光纤激光器的纵模间隔，滤波器的中心频率应与所需调制频率相同。拍频信号经过滤波器后就能把频率最接近于所需调制信号的拍频滤出，并通过窄带高频放大器将此信号放大，经电移相器适当调节相位，便能驱动调制器以产生稳定运行的锁模脉冲，二维材料光电器件的可饱和吸收功能使得脉冲变窄。可见用这种方法产生的调制信号总是与腔长匹配的，因而提高了锁模激光器的稳定性。实验时，通过仔细调节光调制器的偏压、射频驱动电压、微波移相器、光变延时线、偏振控制器可得到较为理想的输出光脉冲序列。
本发明的优点是：
一、本发明基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器将光电探测器和可饱和吸收体集成到一起，结构紧凑，成本低。
二、本发明基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器结脉宽窄，脉冲重复频率高，能够在常温下稳定工作。
附图说明
图1是本发明的光纤激光器结构示意图
图2是二维材料光电器件的结构示意图
图中：1、掺铒光纤放大器 2、偏振控制器 3、电光调制器 4、光纤环行器 5、二维材料光电器件 6、窄带微波滤波器 7、窄带微波放大器8 、微波移相器 9、可调光纤延时线10、20:80光纤耦合器，图中实线部分为光纤连接，虚线部分为同轴线连接；51、源极 52、漏极 53、二维二硫化钨纳米薄片 54、二维黑磷纳米薄片 55、反射镜 56、氧化硅衬底。
具体实施方式
一种基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器，由掺铒光纤放大器1、偏振控制器2、电光调制器3、光纤环形器4、二维材料光电器件5、窄带微波滤波器6、窄带微波放大器7、微波移相器8、可调光纤延时线9、20:80光纤耦合器10组成，其中二维材料光电器件5由源极51、漏极52、二维二硫化钨纳米薄片53、二维黑磷纳米薄片54、反射镜55、氧化硅衬底56组成，其中电光调制器5由a、b、c三个端口组成，光纤环形器由d、e、f三个端口组成，20:80光纤耦合器10由g、h、i三个端口组成，其余器件均由两个端口组成，二维材料光电器件有两个端口：光端口和电端口；掺铒光纤放大器1的输出端与偏振控制器2的一端相连，偏振控制器2的另一端与电光调制器3的a端口相连接，电光调制器3的b端口与光纤环形器4的d端口相连，光纤环形器4的e端口与二维材料光电器件5的光端口相连接，二维材料光电器件5的电端口与窄带微波滤波器6的输入端相连接，窄带微波滤波器6的输出端与窄带微波放大器7的输入端相连，窄带微波放大器7的输入端与微波移相器8的输入端相连，微波移相器8的输出端与电光调制器3的c端口相连，光纤环形器4的f端口与可调光纤延时线9的输入端相连，可调光纤延时线9的输出端与20:80光纤耦合器10的g端口相连接，20:80光纤耦合器10的h端口与掺铒光纤放大器1的输入端相连接20:80光纤耦合器10的i端口作为光纤激光器的输出端口。
二维材料光电器件5是二维二硫化钨纳米薄片53和二维黑磷纳米薄片54层叠的异质结，源极51和漏极52为导体铜，在异质结下方是一层反射镜55，反射镜55下方是氧化硅衬底56。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器，其特征是：由掺铒光纤放大器(1)、偏振控制器(2)、电光调制器(3)、光纤环形器(4)、二维材料光电器件(5)、窄带微波滤波器(6)、窄带微波放大器(7)、微波移相器(8)、可调光纤延时线(9)、20:80光纤耦合器(10)组成，其中二维材料光电器件(5)由源极(51)、漏极(52)、二维二硫化钨纳米薄片(53)、二维黑磷纳米薄片(54)、反射镜(55)、氧化硅衬底(56)组成，其中电光调制器(3)由a、b、c三个端口组成，光纤环形器(4)由d、e、f三个端口组成，20:80光纤耦合器(10)由h、i、j三个端口组成，其余器件均由两个端口组成，二维材料光电器件(5)有两个端口：光端口和电端口；由掺铒光纤放大器(1)的输出端与偏振控制器(2)的一端相连，偏振控制器(2)的另一端电光调制器(3)的a端口相连接，电光调制器(3)的b端口与电光调制器(4)的d端口相连，电光调制器(4)的e端口与二维材料光电器件(5)的光端口相连接，二维材料光电器件(5)的电端口与窄带微波滤波器(6)的输入端相连接，窄带微波滤波器(6)的输出端与窄带微波放大器(7)的输入端相连，窄带微波放大器(7)的输入端与微波移相器(8)的输入端相连，微波移相器(8)的输出端与电光调制器(3)的c端口相连，光纤环形器的f端口与可调光纤延时线(9)的输入端相连，可调光纤延时线(9)的输出端与20:80光纤耦合器(10)的g端口相连接，20:80光纤耦合器(10)的h端口与由掺铒光纤放大器(1)的输入端相连接20:80光纤耦合器(10)的i端口作为光纤激光器的输出端口。
2.如权利要求1其所述的基于二维材料光电器件的再生锁模光纤激光器，其特征是：二维材料光电器件(5)是二维二硫化钨纳米薄片(53)和二维黑磷纳米薄片(54)层叠的异质结，源极(51)和漏极(52)为导体铜，在异质结下方是一层反射镜(55)，反射镜(55)下方是氧化硅衬底(56)，二维材料光电器件(5)有两个功能，既可以作为光电探测器，也可以作为可饱和吸收体。
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