一种基于NCB材料微纳光纤复合器件的全光调制器

本发明涉及光纤通信领域，具体为一种基于ncb材料微纳光纤复合器件的全光调制器。

背景技术：

1、随着光通信领域对于信息处理速度的需求不断增长，迫切需要发展下一代光通信系统。在光通信系统中，光调制器是实现光信号处理的关键器件之一，其可用于调节光信号的强度、相位以及偏振等参量。非全光结构的光调制器在接入光通信网或者与光通信网协同工作时，会存在较大的插入损耗，严重影响了其能效比和工作效率。而以“光-光”信号转换的全光调制器与当前光通信系统有着天然的兼容优势，能够极大地减少系统中器件的连接损耗，从而更好地促进下一代光通信系统的发展和应用。

2、随着器件逐渐向集成化及小型化发展，微纳光学器件的研究得到了科研人员的广泛关注。微纳光纤由于具备损耗低、制作简单、较强的光场操控能力以及显著的倏逝场等特点，成为了探索新型光学器件的理想平台之一。特别地，以石墨烯为代表的新型纳米材料的出现使微纳光纤这一光学载体产生了又一次飞跃。这些新型纳米材料在光调制领域得到了广泛关注，其在光调制领域的应用有着独特的优势，比如覆盖波段广、调制速度快、易于集成等特点，值得更深入的探索与研究，同时也为全光器件的发展提供新的设计思路。通过将不同的纳米材料与微纳光纤相结合，可以制作出多种功能的全光信号处理器件。过去几年，研究人员利用石墨烯、黑磷和二硫化钼等实现了高效的波长转换和全光调制。但是，这些材料在表现出显著的光电性能的同时，也伴随着一些不可忽视的问题，例如：石墨烯具有较低的损伤阈值和相对较弱的吸收；黑磷具有很强的三阶非线性系数，但极易氧化失效；二硫化钼的载流子迁移率易受带电粒子的影响。所以，仍然需要继续寻找其它合适的新型纳米材料。

技术实现思路

1、目前基于纳米材料和微纳光纤的全光调制器主要集中于1550nm波段，其它波段的鲜有报道。而且，随着光通信需求的不断升级和频谱资源的逐渐匮乏，应用于中红外波段的光通信系统成为关键技术之一。目前对于中红外2μm波段的微纳光纤全光调制器的制备及其特性研究尚处在发展阶段，极大地制约了中红外波段光通信技术的发展和应用，因此非常有必要深入探索中红外2μm波段的全光调制器件，这对中红外2μm波段光通信的学术研究和工业应用有着重要的科学意义。中红外2μm波段作为极具潜力的光谱范围受到了广泛的关注，它处于人眼的安全波段及大气透过窗口等，在自由空间光通信和大气传感等领域有着独特的应用前景。

2、本技术提供了一种基于氮掺杂介孔碳球(nitrogen-doped mesoporous carbonball, ncb)材料的微纳光纤复合器件的全光调制器，其特征在于，所述基于ncb材料的微纳光纤复合器件的全光调制器包括：信号激光源21、第一偏振控制器22、泵浦激光源23、掺铥光纤放大器24、第二偏振控制器25、耦合器26、基于氮掺杂介孔碳球纳米材料ncb沉积微纳光纤复合器件的全光调制器27、偏振相关隔离器28和光谱分析仪29；所述信号激光源21输出的信号光经过第一偏振控制器22进入耦合器26，泵浦激光源23输出的泵浦光由掺铥光纤放大器24进行功率放大，经过第二偏振控制器25进入耦合器26，泵浦光和信号光由耦合器26一同注入所述全光调制器27中，由于非线性效应的影响，泵浦光会改变信号光的偏振态，使得信号光发生偏振旋转，以使得偏振相关隔离器28对信号光的投射率发生变化，由光谱分析仪29最终捕获到信号光的强度变化。

3、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述信号激光源21为中红外2微米波段的波长可调谐光纤激光器，其中心波长在1900-2000nm范围内调谐；泵浦激光源23为中红外2μm波段的固定波长光纤激光器，其中心波长为1954nm；在关闭泵浦激光源23的情况下，第一偏振控制器22控制信号光的偏振态与偏振相关隔离器28垂直，从而可以抑制信号光的传输；最初信号激光源21的输出激光波长为1956nm，泵浦激光源23的输出激光波长为1954nm；掺铥光纤放大器24的最大输出功率为300mw。

4、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，将所述全光调制器27接入耦合器26的输出端，波长为1954nm的泵浦光和波长为1956nm的信号光一同进入所述全光调制器27，在泵浦激光源23的功率逐渐增大的情况下，信号光与泵浦光之间的非线性作用不断加剧，导致额外的非线性相移，由于ncb的非线性折射率和强烈的光与物质相互作用，信号光在经过所述全光调制器27传播后引起了偏振改变，使得偏振相关隔离器28对信号光的透射率增大，所述光谱分析仪29中为信号光的强度增大。

5、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述基于氮掺杂介孔碳球纳米材料ncb沉积微纳光纤复合器件的全光调制器27采用光学沉积法制备，制备装置包括：980nm波段激光器11、微纳光纤12、光功率计13、显微镜14；其中，980nm波段激光器11的输出与微纳光纤12的输入端连接，微纳光纤12的输出端与光功率计13连接；当980nm波段激光器11的输出激光经微纳光纤12的输入端输入到微纳光纤12的束腰区时，将ncb异丙酚溶液沉积在微纳光纤12的束腰区，并通过显微镜14观察材料的沉积状态，同时使用光功率计13监测输出功率的动态变化，并测量ncb材料和微纳光纤12复合结构的传输损耗；所使用的微纳光纤12是由标准单模光纤拉锥而成，微纳光纤12的束腰区直径为~6μm。当光功率计13显示的功率稳定时，不再进行材料沉积；此时，已经制备好ncb沉积的微纳光纤复合器件。

6、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述ncb异丙酚溶液的制备过程包括：步骤一：将5g聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷的共聚物溶解于100 ml去离子水中，形成球形胶束溶液；步骤二：在所述球形胶束溶液中加入2g邻氨基酚、1g苯胺和2g氨水，并且进行60分钟的磁力搅拌，接着将混合溶液加热至90℃，然后持续搅拌24小时；步骤三：通过离心机收集固体产物，并用水和乙醇洗涤，在70℃环境下干燥12小时，得到ncb纳米材料；步骤四：取适量的所述ncb纳米材料，加入异丙醇中后依次对其进行超声和离心，将离心的分散液取出，制备成ncb异丙醇分散液。

7、本技术第二方面提供了一种基于ncb材料的微纳光纤复合器件的全光调制器，其特征在于，所述基于ncb材料的微纳光纤复合器件的全光调制器包括：信号激光源21、第一偏振控制器22、泵浦激光源23、第二偏振控制器25、耦合器26、掺铥光纤放大器24、高非线性光纤30、基于氮掺杂介孔碳球纳米材料ncb沉积微纳光纤复合器件的全光调制器27、光谱分析仪29；信号激光源21与泵浦激光源23分别输出信号光与泵浦光，分别经过第一偏振控制器22和第二偏振控制器25进入耦合器26将两束光耦合成一束，同时由掺铥光纤放大器24进行功率增强，经过一段高非线性光纤30后进入所述基于ncb沉积微纳光纤复合器件的全光调制器27，产生二次级联四波混频，最终由光谱分析仪29观察到测试光谱。

8、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，第一偏振控制器22和第二偏振控制器25，用于控制信号光的偏振态与泵浦光的偏振态保持平行，信号激光源21和泵浦激光源23输出的信号光波长和泵浦光波长分别是1954nm和1956nm；高非线性光纤30的长度为100m。

9、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述基于氮掺杂介孔碳球纳米材料ncb沉积微纳光纤复合器件的全光调制器27采用光学沉积法制备，所述制备装置包括：980nm波段激光器11、微纳光纤12、光功率计13、显微镜14；其中，980nm波段激光器11的输出与微纳光纤12的输入端连接，微纳光纤12的输出端与光功率计13连接；当980nm波段激光器11的输出激光经微纳光纤12的输入端输入到微纳光纤12的束腰区时，将ncb异丙酚溶液沉积在微纳光纤12的束腰区，并通过显微镜14观察材料的沉积状态，同时使用光功率计13监测输出功率的动态变化，并测量ncb材料和微纳光纤12复合结构的传输损耗；所使用的微纳光纤12是由标准单模光纤拉锥而成，微纳光纤12的束腰区直径为~6μm。当光功率计13显示的功率稳定时，不再进行材料沉积；此时，已经制备好ncb沉积的微纳光纤复合器件。

10、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述ncb异丙酚溶液的制备过程包括：步骤一：将5g聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷的共聚物溶解于100 ml去离子水中，形成球形胶束溶液；步骤二：在所述球形胶束溶液中加入2g邻氨基酚、1g苯胺和2g氨水，并且进行60分钟的磁力搅拌，接着将混合溶液加热至90℃，然后持续搅拌24小时；步骤三：通过离心机收集固体产物，并用水和乙醇洗涤，在70℃环境下干燥12小时，得到ncb纳米材料；步骤四：取适量的所述ncb纳米材料，加入异丙醇中后依次对其进行超声和离心，接着将离心的分散液取出，制备成ncb异丙醇分散液。

11、全光开光和全光波长转换技术是实现全光通信的关键技术之一。目前，基于这两项技术的全光器件主要集中在1550nm波段，然而该波段的激光相干性易受大气湍流干扰，且在雨雪天气下，特别是雾霾天气下对通信质量的影响更为严重，甚至会中断通信。而中红外2μm波段处于大气、烟雾透射窗口，由于散射强度随光波长而减小，中红外2μm波段受到大气散射等影响比目前空间激光通信主要采用的1.55μm波段更小。而且，中红外2μm波段是人眼安全波段，与1.55μm相比，具有更大的安全通量。因此，在全光通信中对中红外2μm波段激光进行全光开光和波长变换进行研究具有十分重要的意义。本发明在中红外2μm波段首次同时实现了全光开光和全光波长转换，为中红外2μm波段的全光信号处理提供了一种新的有效途径，同时也促进了新型纳米材料在光通信中的发展和应用。