CN109449737A - 一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型高效率实现全光量化的方法，具体为一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置及方法，解决了现有全光量化装置复杂、光子耦合效率低、量化速率慢的问题。一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置及方法，包括如下步骤：构建纳米光纤谐振腔；纳米光纤谐振腔实现全光量化系统；用单光子探测器测量纳米光纤上不同位置量子点的光子计数率实现3位量化。本发明装置结构简单，突破了现有全光量化技术成本较高、设定比较器阈值会影响量化精度的技术缺点，有望实现高效率、高精度的全光量化，可广泛适用于高速光信息处理及光域中光纤通信方面。

Description

一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种新型高效率实现全光量化的方法，具体为一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置及方法。
背景技术
全光模数转换在高速光信息处理领域具有重要的应用，全光模数转换功能的实现包含三个步骤：即采样、量化和编码，光采样及编码技术已经有很多研究，方法比较成熟，现在困扰全光模数转换发展的技术瓶颈主要集中在全光量化技术上。鉴于此，发展全光量化器获得到了国际、国内学者的广泛关注。例如，P.P.Ho等人利用光纤中的交叉相位调制(XPM)效应实现了对采样脉冲的光量化,并实现了5GS/s采样速率时4位的量化精度，但是需要增加光纤长度和脉冲强度以获得足够的频移量，随着这些量增加到一定程度，其他的高阶非线性效应将起显著作用，影响到量化效果；T.Konishi等人提出了一种基于超短光脉冲在光纤中的拉曼自频移(Raman Self-Frequency Shift，RSFS)效应的光量化方案，其在孤子产生频移的同时限制了量化精度的进一步提升；Chris Xu 等人提出了基于孤子自频移(Soliton Self-Frequency Shift，SSFS)效应和光谱分插滤波的光量化方案，与利用XPM的量化方法比较，孤子自频移过程中只有采样后的信号光脉冲本身，避免了量化中因波长不同而产生的“走离”现象，经自频移后，由于群速度色散的影响，波长不同的脉冲串在光纤传输时传播速度不同，到达判决系统存在时延现象，容易发生误判；日本Osaka大学的K.Ikeda等人利用非线性光纤Sagnac环来实现光量化的功能，通过适当选取每个干涉仪中非线性光纤的长度和非线性系数，实现了10GS/s采样速率时3位的量化精度，但要求每比特输出都分别需要干涉仪进行量化、比较，量化系统较复杂。综上所述，现有实现全光量化的方法存在装置结构复杂、成本较高、设定比较器阈值会影响量化精度、需要采样脉冲功率高等问题。
发明内容
本发明为了解决现有全光量化装置复杂、光子耦合效率低、量化速率慢的问题，提供了一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置及方法。
本发明所述的一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置是采用以下技术方案实现的：一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置，包括外置耦合光栅、纳米光纤和用于发射捕获光的第一激光源；由布拉格光栅组成的外置耦合光栅水平置于基底的上面；纳米光纤在腰部区域具有亚波长直径，水平镶嵌于外置耦合光栅正上方，形成纳米光纤谐振腔；还包括沿纳米光纤轴线走向水平放置在纳米光纤腰部中央上侧的2n个荧光量子点，n为≥1的正整数，2n个荧光量子点互不相同；第一激光源位于荧光量子点正上方且其出射端朝向荧光量子点；纳米光纤的输出端通过第二单模光纤连接有单光子探测器，单光子探测器的信号输出端连接有数据采集系统。
本发明通过外置耦合光栅增强了量子点出射的荧光光子与纳米光纤传输模的耦合，极大降低了传输过程中的光学损耗，并通过单光子探测器实时记录2n个量子点的光子计数率即可实现n位量化精度。外置耦合光栅和纳米光纤均使用二氧化硅材料制作而成，而且装置结构简单，有效降低了成本。
进一步的，纳米光纤为锥形纳米光纤，其包层两端呈锥形结构，锥形结构的大口径朝外，小口径相对且通过腰部区域连接，腰部区域外径小于两端锥形结构；纤芯贯穿锥形结构以及腰部区域的中心设置。
采用锥形纳米光纤，能够更加显著的增强荧光光子与纳米光纤传输模的耦合，耦合效率可达75%以上。
进一步的，所述荧光量子点为8个。
进一步的，外置耦合光栅长度为1mm，周期为320nm，狭板宽度为50nm，狭板数目为200个。
外置耦合光栅采用上述参数，耦合效果最佳，最大限度降低传输过程中的光学损耗。
进一步的，还包括光纤直径测量单元；所述光纤直径测量单元包括第二激光源、顺次连接在第二激光源出射端的偏振控制器和环形器；环形器第一端口与偏振控制器的信号输出端相连接，环形器第二端口与纳米光纤的输入端相连接，环形器第三端口通过第一单模光纤连接有光谱仪。
所述光纤直径测量单元可用于对纳米光纤直径的精确测量，便于整个设备的安装布置与集成优化。
本发明所述的一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的方法是采用以下技术方案实现的：一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的方法，包括如下步骤：第一激光源发出连续捕获光在正上方照射2n个荧光量子点，产生的荧光光子进入纳米光纤中，外置耦合光栅形成的空腔可以增强荧光光子与纳米光纤中传输模的耦合，荧光光子在纳米光纤的输出端经由第二单模光纤进入单光子探测器，最终单光子探测器的输出信号进入数据采集系统，实现对数据的采集和分析，统计出纳米光纤上不同位置荧光量子点的光子计数率进而实现n位量化，其中，2n个荧光量子点的相对位置参照最靠近纳米光纤输入端的量子点的位置。
进一步的，还包括利用光纤直径测量单元测量纳米光纤直径的步骤：第二激光源出射的激光首先经过偏振控制器、环形器后进入纳米光纤，部分反射光反馈回纳米光纤中，经过环形器和第一单模光纤进入光谱仪进而观察光反射谱，通过调节偏振控制器改变光谱仪上的反射谱，反射谱的半高宽对应的波长之差最小时保存数据，对光谱数据进行高斯拟合得到纳米光纤的共振波长即为共振光谱两峰之间半高宽度处两横坐标之和的一半，再利用共振波长λres与光纤直径D之间线性方程D=-1845.78+3.06814*λres得到相应位置的纳米光纤直径。
基于上述过程，本发明所述的一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置及方法具有如下有益效果：一、本发明所用纳米光纤和外置耦合光栅运用纳米加工技术，使用二氧化硅材料制作而成，而且装置结构简单，所用仪器均是很常见的光学仪器，省去很多量化成本。二、本发明采用的布拉格光栅形成的空腔显著增强了量子点出射的荧光光子与纳米光纤传输模的耦合，耦合效率可达75%以上，极大降低了传输过程中的光学损耗。三、本发明采用的量子点具有激发光谱宽、光稳定性高、荧光寿命长等特性，可以根据需求通过改变量子点的尺寸来控制发出的光的频率，四、本发明操作容易，实施过程中通过单光子探测器实时记录2n个量子点（优选为8个量子点）的光子计数率即可实现n位量化（优选为3位量化）精度。
本发明解决了现有全光量化装置、光子耦合效率低、量化速率慢的问题，适用于高速光信息处理及光域中光纤通信方面。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图。
图2是本发明中不同轴向位置光纤直径大小示意图。
图3是本发明中纳米光纤上量子点的光吸收谱。
图4是本发明中利用单光子探测器得到的光子计数率随激发光强度变化示意图。
图5是本发明中利用单光子探测器得到的纳米光纤上不同位置量子点的光子计数率3位量化示意图。
图1中：1-外置耦合光栅；2-纳米光纤；3-荧光量子点；4-第一激光源；5-第二激光源；6-偏振控制器；7-环形器；8-第一单模光纤；9-光谱仪；10-荧光光子；11-第二单模光纤；12-单光子探测器；13-数据采集系统。
具体实施方式
一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置及方法，包括如下步骤：
（一）构建纳米光纤谐振腔：制作外置耦合光栅1和锥形的纳米光纤2，由布拉格光栅组成的外置耦合光栅1水平置于基底的上面，光栅长度为1mm，周期为320nm，狭板宽度为50nm，狭板数目为200个，锥形的纳米光纤2在腰部区域具有亚波长直径，水平镶嵌于外置耦合光栅1正上方，形成纳米光纤谐振腔。
（二）搭建纳米光纤谐振腔实现全光量化系统：本发明实现装置如图1所示，在纳米光纤2腰部中央上侧水平放置8个互不相同的荧光量子点3，测量所需第一激光源4在荧光量子点3正上方发射捕获光照射全部量子点，纳米光纤2下侧置有外置耦合光栅1，外置耦合光栅1的中心光腔对应于纳米光纤2的腰部中央。测量所需第二激光源5的输出端与偏振控制器6相连，偏振控制器6的另一端连接环形器7的输入端，环形器7经由第一单模光纤8连接光谱仪9，另一输出端接入纳米光纤2的输入端，纳米光纤2的输出端通过第二单模光纤11与单光子探测器12连接，最后接入数据采集系统13；本发明中外置耦合光栅1和荧光量子点3要与锥形的纳米光纤2接触，提高荧光光子与纳米光纤传输膜的耦合效率，降低光学损耗。
（三）用单光子探测器测量纳米光纤上不同位置量子点的光子计数率实现3位量化：本发明实现过程中第二激光源5出射的激光首先经过偏振控制器6、环形器7后进入纳米光纤2，部分反射光反馈回纳米光纤2中，经过环形器7和第一单模光纤8进入光谱仪9进而观察光反射谱，通过调节偏振控制器6改变光谱仪上的反射谱，反射谱的半高宽对应的波长之差最小时保存数据，对光谱数据高斯拟合得到纳米光纤的共振波长即为共振光谱两峰之间半高宽度处两横坐标之和的一半，再利用共振波长λres与光纤直径D之间线性方程D=-1845.78+3.06814*λres得到相应位置的纳米光纤直径，图2所示为纳米光纤不同轴向位置光纤直径大小示意图，再由第一激光源4发出连续捕获光在正上方照射8个荧光量子点3，产生荧光光子10进入纳米光纤2中，外置耦合光栅1形成的空腔可以增强荧光光子10与纳米光纤2中传输模的耦合，荧光光子10在纳米光纤光子出射端经由第二单模光纤11进入单光子探测器12，最终单光子探测器12的输出信号进入数据采集系统13，实现对数据的采集和分析，如图5所示将纳米光纤上不同位置荧光量子点的光子计数率按照大小从①-⑧排序，图中虚线为3位量化的7个判决阈值，在本量化方案中，按照判决阈值将光子计数率划分为该阈值区间对应的3位二进制编码，如图5中右侧纵坐标所示从下到上依次对其进行二进制编码000、001、010、011、100、101、110、111。本发明中通过改变第一激光源4的输入功率控制激发光强度，图4所示为衰减时间τ和测量获得的光子效率nobs(∞)不同的量子点的光子计数率随激发光强度I变化示意图，当激光强度增大到1200w/cm2时，光子计数率趋于稳定，量化终止。其中，8个荧光量子点3的相对位置参照左边第1个量子点的位置。
具体实施时所述连续激光源采用He-Ne激光器，波长为632.8nm；所述锥形纳米光纤的纤芯为二氧化硅材料，纤芯有效折射率为1.45，包层折射率为1；所述单光子探测器采用AureaTechnology公司的Lynxea_M2；所述光谱仪为Yokogawa公司的AQ6373B，波长范围600～1700nm；所述基底的长度为16mm，宽度为10mm，厚度为2mm。
2n个荧光量子点互不相同是指采用的量子点都不同，而不同量子点与纳米光纤的耦合效率不同，这样单光子探测器在探测时就可以明确分辨出不同位置处的荧光量子点所发射的荧光，进而获得不同量子点的光子计数率。
实现模数转换功能的方法主要有电子模数转换和全光模数转换两种。电子模数转换技术由于电子迁移频率存在物理极限，难以满足高速信号处理的需要，全光模数转换技术可以有效克服“电子瓶颈”，其功能的实现包含三个步骤：采样、量化和编码，本发明中的量化过程均在光域进行，能满足高速高精度模数转换的需求，可以应用于高速物理随机数产生、扩频通信等超高速领域。

Claims (8)

1.一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置，其特征在于，包括外置耦合光栅（1）、纳米光纤（2）和用于发射捕获光的第一激光源（4）；由布拉格光栅组成的外置耦合光栅（1）水平置于基底的上面，纳米光纤（2）在腰部区域具有亚波长直径，水平镶嵌于外置耦合光栅（1）正上方，形成纳米光纤谐振腔；还包括沿纳米光纤（2）轴线走向水平放置在纳米光纤（2）腰部中央上侧的2n个荧光量子点（3），n为≥1的正整数，2n个荧光量子点（3）互不相同；第一激光源（4）位于荧光量子点（3）正上方且其出射端朝向荧光量子点（3）；纳米光纤（2）的输出端通过第二单模光纤（11）连接有单光子探测器（12），单光子探测器（12）的信号输出端连接有数据采集系统（13）。
2.如权利要求1所述的一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置，其特征在于，纳米光纤（2）为锥形纳米光纤，其包层两端呈锥形结构，锥形结构的大口径朝外，小口径相对且通过腰部区域连接，腰部区域外径小于两端锥形结构；纤芯贯穿锥形结构以及腰部区域的中心设置。
3.如权利要求2所述的一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置，其特征在于，所述荧光量子点（3）为8个。
4.如权利要求1~3任一项所述的一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置，其特征在于，还包括光纤直径测量单元；所述光纤直径测量单元包括第二激光源（5）、顺次连接在第二激光源（5）出射端的偏振控制器（6）和环形器（7）；环形器（7）第一端口与偏振控制器（6）的信号输出端相连接，环形器（7）第二端口与纳米光纤（2）的输入端相连接，环形器（7）第三端口通过第一单模光纤（8）连接有光谱仪（9）。
5.如权利要求1~3任一项所述一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置，其特征在于，外置耦合光栅（1）光栅长度为1mm，周期为320nm，狭板宽度为50nm，狭板数目为200个。
6.如权利要求4所述一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置，其特征在于，两个激光源采用He-Ne激光器，波长为632.8nm；所述纳米光纤（2）的纤芯为二氧化硅材料，纤芯有效折射率为1.45，包层折射率为1；所述单光子探测器（12）采用AureaTechnology公司的Lynxea_M2；所述基底的长度为16mm，宽度为10mm，厚度为2mm；所述光谱仪（9）为Yokogawa公司的AQ6373B，波长范围600～1700nm。
7.一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的方法，其特征在于，采用如权利要求4所述装置来实现；包括如下步骤：第一激光源（4）发出连续捕获光在正上方照射2n个荧光量子点（3），产生的荧光光子（10）进入纳米光纤（2）中，外置耦合光栅（1）形成的空腔可以增强荧光光子（10）与纳米光纤（2）中传输模的耦合，荧光光子（10）在纳米光纤（2）的输出端经由第二单模光纤（11）进入单光子探测器（12），最终单光子探测器（12）的输出信号进入数据采集系统（13），实现对数据的采集和分析，统计出纳米光纤（2）上不同位置荧光量子点的光子计数率进而实现n位量化，其中，2n个荧光量子点（3）的相对位置参照最靠近纳米光纤（2）输入端的量子点的位置。
8.如权利要求7所述的一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的方法，其特征在于，还包括利用光纤直径测量单元测量纳米光纤直径的步骤：第二激光源（5）出射的激光首先经过偏振控制器（6）、环形器（7）后进入纳米光纤（2），部分反射光反馈回纳米光纤（2）中，经过环形器（7）和第一单模光纤（8）进入光谱仪（9）进而观察光反射谱，通过调节偏振控制器（6）改变光谱仪（9）上的反射谱，反射谱的半高宽对应的波长之差最小时保存数据，对光谱数据进行高斯拟合得到纳米光纤（2）的共振波长即为共振光谱两峰之间半高宽度处两横坐标之和的一半，再利用共振波长λres与光纤直径D之间线性方程D=-1845.78+3.06814*λres得到相应位置的纳米光纤（2）直径。
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