CN109188733A - 基于微纳光纤的全光调制器及其制作方法、调制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微纳光纤的全光调制器及其制作方法、调制系统。该全光调制器包括微纳光纤和一维半导体纳米材料，微纳光纤的一端为输入光纤，中部为均匀区域光纤段，另一端为输出光纤，输入光纤与均匀区域光纤段的接头处为锥形，均匀区域光纤段是将光纤中部去除涂覆层，对已去除涂覆层的部分进行循环拉锥操作得到的，输出光纤与均匀区域光纤段的接头处为锥形，一维半导体纳米材料吸附在均匀区域光纤段的表面。由于一维半导体纳米材料相较于二维材料，在空气中不易发生化学变化，增加了全光调制器的寿命。该全光调制器结构简单、调制效率高，使用微纳光纤，易于光纤耦合，降低连接损耗。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种基于微纳光纤的全光调制器及其制作方法、调制系统。
背景技术
全光调制器是光通信网络、光纤激光器和光纤传感领域的关键器件之一，能够使光波的某些参数如振幅、频率、相位、偏振状态和持续时间等按一定的规律发生变化。作为全光网的关键器件，光调制器已广泛应用于光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面。
全光调制器的本质是通过光的作用来改变材料的光学性质，从而使得信道中信号光的某些参数发生变化。制作全光调制器件的材料通常是具有克尔效应的有机聚合物、化合物半导体、二维材料等。比较典型的全光调制器是微纳复合结构型，是以硅基波导、微纳光纤等作为载体，环绕波导或微纳光纤生长一层或多层二维材料(如石墨烯、黑磷等)，通过外加开关光控制波导或微纳光纤中信号光的状态从而实现调制的功能。然而，许多二维材料(例如石墨烯)容易在空气中发生某些化学变化(如被氧化等)，使得全光调制器逐渐失去器件性能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于微纳光纤的全光调制器及其制作方法、调制系统，可以解决现有技术中全光调制器中的二维材料易发生化学变化，从而导致全光调制器失去器件性能的技术问题。
为实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于微纳光纤的全光调制器，其特征在于，所述全光调制器包括微纳光纤和一维半导体纳米材料；
所述微纳光纤的一端为输入光纤，中部为均匀区域光纤段，另一端为输出光纤，所述输入光纤与所述均匀区域光纤段的接头处为锥形，所述均匀区域光纤段是将光纤中部去除涂覆层，对已去除涂覆层的部分进行循环拉锥操作得到的，所述输出光纤与所述均匀区域光纤段的接头处为锥形，所述一维半导体纳米材料吸附在所述均匀区域光纤段的表面。
为实现上述目的，本发明第二方面提供一种制作所述全光调制器的方法，其特征在于，所述方法包括：
去除光纤中部预设长度的涂覆层，利用氢氧焰对已去除涂覆层的部分进行循环拉锥操作，得到中部为均匀区域光纤段的微纳光纤，所述微纳光纤的两端分别为输入光纤与输出光纤；
将所述微纳光纤放置在凹型玻片上，利用钨丝探针将一维半导体纳米材料放置在所述均匀区域光纤段上，所述一维半导体纳米材料借助范德华力吸附在所述均匀区域光纤段上。
为实现上述目的，本发明第三方面提供一种调制系统，其特征在于，所述系统包括第一激光器、光斩波器、反射镜、透镜、第二激光器和所述全光调制器；
所述第一激光器输出的控制激光经过所述光斩波器射入所述反射镜，由所述反射镜反射所述控制激光并经所述透镜透射后，射入所述全光调制器的一维半导体纳米材料上，所述控制激光的单光子能量大于所述一维半导体纳米材料对应的禁带宽度；
所述第二激光器输出的光射入所述全光调制器的输入光纤，经射入所述一维半导体纳米材料上的所述控制激光的调制后，由所述全光调制器的输出光纤输出调制激光。
本发明提供一种基于微纳光纤的全光调制器及其制作方法、调制系统。该全光调制器使用一维半导体纳米材料，该一维半导体纳米材料相较于二维材料，在空气中不易发生化学变化，使全光调制器的寿命大大增加，同时，由于一维半导体纳米材料吸附在均匀区域光纤段的表面，使得该全光调制器结构简单、调制效率高。该全光调制器使用微纳光纤，易于光纤耦合，降低连接损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例中一种基于微纳光纤的全光调制器的结构示意图；
图2为本发明第二实施例中一种制作全光调制器的方法的流程示意图；
图3为本发明第二实施例中步骤201的细化步骤的流程示意图；
图4为本发明第三实施例中一种调制系统的结构示意图；
图5为本发明第三实施例中控制激光调制前后光纤中信号光的光谱图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于现有技术中存在全光调制器中的二维材料易发生化学变化，从而导致全光调制器失去器件性能的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于微纳光纤的全光调制器及其制作方法、调制系统。该全光调制器使用一维半导体纳米材料，该一维半导体纳米材料相较于二维材料，在空气中不易发生化学变化，使全光调制器的寿命大大增加，同时，由于一维半导体纳米材料吸附在均匀区域光纤段的表面，使得该全光调制器结构简单、调制效率高。该全光调制器使用微纳光纤，易于光纤耦合，降低连接损耗。
请参阅图1，为本发明第一实施例中一种基于微纳光纤的全光调制器的结构示意图，其中，虚线表示对微纳光纤1的划分线，微纳光纤1包括输入光纤11、均匀区域光纤段12和输出光纤13。该全光调制器包括微纳光纤1和一维半导体纳米材料2；
微纳光纤1的一端为输入光纤11，中部为均匀区域光纤段12，另一端为输出光纤13，输入光纤11与均匀区域光纤段12的接头处为锥形，均匀区域光纤段12是将光纤中部去除涂覆层，对已去除涂覆层的部分进行循环拉锥操作得到的，输出光纤13与均匀区域光纤段12的接头处为锥形，一维半导体纳米材料2吸附在均匀区域光纤段12的表面。
进一步的，一维半导体纳米材料2为氧化锌纳米线。
进一步的，一维半导体纳米材料2的直径介于600纳米与800纳米。
进一步的，均匀区域光纤段12的直径为1微米。
进一步的，均匀区域光纤段12为单模光纤段，输入光纤11的锥形区域和输出光纤13的锥形区域均为多模区域，输入光纤11除锥形区域以外的其他区域和输出光纤13除锥形区域以外的其他区域均为单模区域。
需要说明的是，微纳光纤1是由一根单模光纤制成的，一端为输入光纤11，中部为均匀区域光纤段12，另一端为输出光纤13。输入光纤11与均匀区域光纤段12的接头处为锥形，该锥形为过渡区域，是多模区域，输入光纤11除锥形处以外的其他区域为单模区域，即输入光纤11包括单模区域和多模区域，多模区域位于输入光纤11与均匀区域光纤段12的接头处的锥形区域。同样的，输出光纤13与均匀区域光纤段12的接头处为锥形，该锥形为过渡区域，是多模区域，输出光纤13除锥形处以外的其他区域为单模区域，即输出光纤13包括单模区域和多模区域，多模区域位于输出光纤13与均匀区域光纤段12的接头处的锥形区域。均匀区域光纤段12为单模区域。综上所述，微纳光纤1从一端到另一端依次为：单模区域-多模区域-单模区域-多模区域-单模区域。
需要说明的是，一维半导体纳米材料2不仅限于为氧化锌纳米线，可以为其他纳米线材料。
在本发明实施例中，该全光调制器使用一维半导体纳米材料2，该一维半导体纳米材料2相较于二维材料，在空气中不易发生化学变化，使全光调制器的寿命大大增加，同时，由于一维半导体纳米材料2吸附在均匀区域光纤段12的表面，使得该全光调制器结构简单、调制效率高。该全光调制器使用微纳光纤1，易于光纤耦合，降低连接损耗。
请参阅图2，为本发明第二实施例中一种制作全光调制器的方法的流程示意图。该制作方法包括：
步骤201，去除光纤中部预设长度的涂覆层，利用氢氧焰对已去除涂覆层的部分进行循环拉锥操作，得到中部为均匀区域光纤段12的微纳光纤1，微纳光纤1的两端分别为输入光纤11与输出光纤13；
进一步的，请参阅图3，为本发明第二实施例中步骤201的细化步骤的流程示意图。该细化步骤包括：
步骤2011，剥除光纤中部预设长度的涂覆层，利用氢氧焰加热去除涂覆层的光纤中部，使去除涂覆层的光纤中部成为熔融态；
步骤2012，在去除涂覆层的光纤中部的两侧进行循环拉锥操作，使去除涂覆层的光纤中部的直径缩小，得到中部为均匀区域光纤段12的微纳光纤1。
步骤202，将微纳光纤1放置在凹型玻片上，利用钨丝探针将一维半导体纳米材料2放置在均匀区域光纤段12上，一维半导体纳米材料2借助范德华力吸附在均匀区域光纤段12上。
需要说明的是，本发明的全光调制器以微纳光纤1作为载体，该微纳光纤1的制备方法：将一根单模光纤的中部去除涂覆层，使光纤中部为裸光纤，涂覆层的长度约为5厘米，在裸光纤中点处外加氢氧焰，随后裸光纤成为熔融态，接着在熔融态的裸光纤的两边进行循环拉锥操作，此时氢氧焰作用区域的光纤直径会逐渐缩小，最终约为1微米。
将制备的微纳光纤1放置在凹型玻片上，使输入光纤11与输出光纤13搭在凹型玻片上，均匀区域光纤段12处于空气中，目的是使微纳光纤1全部处于空气中，以空气作为微纳光纤1的包层，能有效降低微纳光纤1在长波段光波的泄漏损耗。之后利用钨丝探针吸附合适的尺寸直径的一维半导体纳米材料2，接着再转移至微纳光纤1的均匀区域光纤段12，该一维半导体纳米材料2优选为氧化锌纳米线，其直径尺寸介于600纳米与800纳米。一维半导体纳米材料2借助范德华力的作用，紧紧吸附在微纳光纤1的表面，形成了微纳复合结构。
在本发明实施例中，使用制作本发明全光调制器的方法制作出的全光调制器，该全光调制器使用一维半导体纳米材料2，该一维半导体纳米材料2相较于二维材料，在空气中不易发生化学变化，使全光调制器的寿命大大增加，同时，由于一维半导体纳米材料2吸附在均匀区域光纤段12的表面，使得该全光调制器结构简单、调制效率高。该全光调制器使用微纳光纤1，易于光纤耦合，降低连接损耗。
请参阅图4，为本发明第三实施例中一种调制系统的结构示意图。该系统包括：第一激光器41、光斩波器42、反射镜43、透镜44、第二激光器45和全光调制器46；
第一激光器41输出的控制激光经过光斩波器42射入反射镜43，由反射镜43反射控制激光并经透镜44透射后，射入全光调制器46的一维半导体纳米材料2上，控制激光的单光子能量大于一维半导体纳米材料2对应的禁带宽度；
第二激光器45输出的光射入全光调制器46的输入光纤11，经射入一维半导体纳米材料2上的控制激光的调制后，由全光调制器46的输出光纤13输出调制激光。
进一步的，该系统还包括光电探测器47和示波器48；
调制激光经过光电探测器47转换为电信号，由示波器48显示电信号的波形。
进一步的，第一激光器41为紫外激光器，控制激光的波长为266纳米。
需要说明的是，该全光调制器46的工作原理是：将全光调制器46接入该调制系统的光纤传输通路中，当光纤中的信号光满足耦合条件(即微纳光纤1的色散曲线与一维半导体纳米材料2的色散曲线相交)时，就会在微纳光纤1和一维半导体纳米材料2之间产生谐振，进而在信号光谐振波长处形成耦合峰，通过外加开关光(射入一维半导体纳米材料2上的控制激光)使一维半导体纳米材料2的折射率改变，产生谐振的波长也将改变，耦合峰的位置也就发生变化，原谐振波长处的光强也就改变，达到实现光强调制的目的。请参阅图5，为本发明第三实施例中控制激光调制前后光纤中信号光的光谱图，其中，51表示控制激光调制前光纤中信号光的光谱图，52表示控制激光调制后光纤中信号光的光谱图。
需要说明的是，第二激光器45为可调谐激光器，且第二激光器45为信号光源，输出的光为信号光，该信号光通过单模光纤进行信号传输。传输的信号光进入全光调制器46的输入光纤11，受到第一激光器41的控制激光的调制，优选的，第一激光器41为紫外激光器，控制激光的波长为266纳米。光斩波器42使得控制激光不断进行“开关”切换，从而使得信号光强不断“增强减弱”变换，实现光强调制功能。信号光经过全光调制器46后，输出调制光，调制光通过单模光纤被光电探测器47转换为电信号，由示波器48显示电信号的波形。通过高低电平的上升沿和下降沿，即可观测到调制器件的时间响应。
在本发明实施例中，全光调制器46使用一维半导体纳米材料2，该一维半导体纳米材料2相较于二维材料，在空气中不易发生化学变化，全光调制器46的寿命大大增加，同时，由于一维半导体纳米材料2吸附在均匀区域光纤段12的表面，使得该全光调制器46结构简单、调制效率高。该全光调制器46使用微纳光纤1，易于光纤耦合，降低连接损耗。同时，由于第一激光器41输出的控制激光使一维半导体纳米材料2的折射率发生变化，从而实现全光调制，使得该调制系统具有较快的响应时间。
在本发明中，构筑了一维半导体纳米材料2与微纳光纤1的复合结构，为基于微纳光纤1的新型全光器件提供了新的平台。通过范德华力直接吸附，设计了一种简单可行的结构，插入损耗小，耦合效率高。光致材料折射率变化使得耦合峰位置变化，使得定向耦合器件具有光强调制的功能。
本发明可直接应用于光纤通信领域。将全光调制器46直接接入光纤传输通路中，利用氧化钠纳米线对紫外激光的吸收，实现定向耦合波长的变化，可以控制光纤中传输的光信号的强弱。
基于本发明可以设计将不同纳米线材料吸附在微纳光纤1上的全光调制器46，通过吸附不同光学特性的纳米线，实现一种新型的微纳光纤载体，用以实现基于微纳光纤1的全光调制器46。
需要说明的是，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，且在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种基于微纳光纤的全光调制器及其制作方法、调制系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于微纳光纤的全光调制器，其特征在于，所述全光调制器包括微纳光纤和一维半导体纳米材料；
所述微纳光纤的一端为输入光纤，中部为均匀区域光纤段，另一端为输出光纤，所述输入光纤与所述均匀区域光纤段的接头处为锥形，所述均匀区域光纤段是将光纤中部去除涂覆层，对已去除涂覆层的部分进行循环拉锥操作得到的，所述输出光纤与所述均匀区域光纤段的接头处为锥形，所述一维半导体纳米材料吸附在所述均匀区域光纤段的表面。
2.根据权利要求1所述的全光调制器，其特征在于，所述一维半导体纳米材料为氧化锌纳米线。
3.根据权利要求1所述的全光调制器，其特征在于，所述一维半导体纳米材料的直径介于600纳米与800纳米。
4.根据权利要求1所述的全光调制器，其特征在于，所述均匀区域光纤段的直径为1微米。
5.根据权利要求1所述的全光调制器，其特征在于，所述均匀区域光纤段为单模光纤段，所述输入光纤的锥形区域和所述输出光纤的锥形区域均为多模区域，所述输入光纤除所述锥形区域以外的其他区域和所述输出光纤除所述锥形区域以外的其他区域均为单模区域。
6.一种制作如权利要求1至5任意一项所述的全光调制器的方法，其特征在于，所述方法包括：
去除光纤中部预设长度的涂覆层，利用氢氧焰对已去除涂覆层的部分进行循环拉锥操作，得到中部为均匀区域光纤段的微纳光纤，所述微纳光纤的两端分别为输入光纤与输出光纤；
将所述微纳光纤放置在凹型玻片上，利用钨丝探针将一维半导体纳米材料放置在所述均匀区域光纤段上，所述一维半导体纳米材料借助范德华力吸附在所述均匀区域光纤段上。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将光纤中部去除预设长度的涂覆层，利用氢氧焰对去除涂覆层的光纤中部进行循环拉锥操作，得到中部为均匀区域光纤段的微纳光纤的步骤包括：
剥除光纤中部预设长度的涂覆层，利用氢氧焰加热去除涂覆层的光纤中部，使所述去除涂覆层的光纤中部成为熔融态；
在所述去除涂覆层的光纤中部的两侧进行循环拉锥操作，使所述去除涂覆层的光纤中部的直径缩小，得到中部为均匀区域光纤段的微纳光纤。
8.一种调制系统，其特征在于，所述系统包括第一激光器、光斩波器、反射镜、透镜、第二激光器和如权利要求1至5任意一项所述的全光调制器；
所述第一激光器输出的控制激光经过所述光斩波器射入所述反射镜，由所述反射镜反射所述控制激光并经所述透镜透射后，射入所述全光调制器的一维半导体纳米材料上，所述控制激光的单光子能量大于所述一维半导体纳米材料对应的禁带宽度；
所述第二激光器输出的光射入所述全光调制器的输入光纤，经射入所述一维半导体纳米材料上的所述控制激光的调制后，由所述全光调制器的输出光纤输出调制激光。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括光电探测器和示波器；
所述调制激光经过所述光电探测器转换为电信号，由所述示波器显示所述电信号的波形。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一激光器为紫外激光器，所述控制激光的波长为266纳米。
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