[发明专利]一种基于拓扑绝缘体的全光波长转换器件

说明书

技术领域

本发明涉及光通信器件,特别是一种基于拓扑绝缘体的全光波长转换器件，用于全光波长转换。 

背景技术

全光通信网络能够突破“光-电-光”转换过程中电子瓶颈对速率的限制，充分利用光纤的巨大带宽资源，一直是光通信梦想的通信网络。全光信号处理技术是实现全光通信网络的关键，涉及到传输、交换、路由、接入和业务处理等多个方面，具体技术涵盖全光波长转换、全光超宽带信号产生等等。其中全光波长转换技术在全光通信网络中发挥关键性作用。波长转换器能实现传输信息从一个波长到另一个波长的转换；能实现波长的再利用，构成可任意扩展的波分复用网络。

目前，波长转换技术的主流实现方式是应用非线性器件中的非线性效应，主要包括利用交叉增益调制（XGM），交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）来实现全光波长转换。但交叉增益调制和交叉相位调制这两种波长转换方式只适用于强度调制的信号，所以只能达到有限透明，不能实现严格透明。其中，基于四波混频效应的全光波长转换技术主要是利用非线性光学中的三阶非线性效应，能够对信号的幅度、频率和相位严格透明，故可以使波长转换与信号的形式无关，是一种极具吸引力的全光波长转换方案。

近些年来，半导体光放大器（SOA）作为典型的非线性器件，在全光信号处理中得到了广泛的应用，利用SOA的四波混频效应实现全光波长转换等。但是，SOA与光纤的耦合损耗太大，噪声指数高且易受环境温度的影响，稳定性较差。最近大量报道利用碳纳米管及石墨烯材料的非线性器件实现波长转换等，并成功将应用于光通信系统中。石墨烯材料具有制备简单、成本低，高非线性等优点，易于实现石墨烯非线性器件产业化。但石墨烯材料容易损伤，稳定性较差，不利于器件的长时间工作。

拓扑绝缘体作为一种具有新奇量子特性的物质，典型代表是Bi₂Te₃、Bi₂Se₃以及Sb₂Te₃。拓扑绝缘体的表面态与石墨烯相似，其色散关系都可以由狄拉克方程来描述。相似的能带结构也表明拓扑绝缘体具有与石墨烯类似的宽带非线性特性。同时，相对于石墨烯，拓扑绝缘体具有更大的调制深度以及更高的稳定性。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种结构简单、制作工艺简单的基于拓扑绝缘体的全光波长转换器件，利用倏逝波与拓扑绝缘体非线性作用体作用，产生四波混频，从而实现全光波长转换，解决SOA作为非线性器件时噪声指数高且易受环境温度的影响，稳定性较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于拓扑绝缘体的全光波长转换器件，包括光纤，所述光纤的任意一段被制作成D形光纤或拉锥光纤；所述D形光纤的平面一侧或拉锥光纤的腰锥体上设有拓扑绝缘体层；所述拓扑绝缘体层厚度为10～50nm；所述D形光纤长度为30~40mm；所述拉锥光纤长度为15~20mm。

所述拓扑绝缘体层为拓扑绝缘体纳米片，所述拓扑绝缘体纳米片通过光学诱导的方法沉积在所述D形光纤的平面一侧或拉锥光纤的腰锥体上，或者喷涂在所述D形光纤的平面一侧或拉锥光纤的腰锥体上。

所述拓扑绝缘体层为拓扑绝缘体纳米粒，所述拓扑绝缘体纳米粒喷涂在所述D形光纤的平面一侧或拉锥光纤的腰锥体上，或者通过光学诱导的方法沉积在所述D形光纤的平面一侧或拉锥光纤的腰锥体上。

所述拓扑绝缘体层最优厚度为10～20nm，保证转换效率高。

所述拓扑绝缘体层材料为Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、Sb₂Te₃中的一种。

所述光纤为单模光纤。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用拓扑绝缘体纳米片/纳米粒具有高非线性的特点，设计基于拓扑绝缘体的全光波长转换器件。将拓扑绝缘体转移至D形光纤剖面或者拉锥光纤拉锥面，通过倏逝波与拓扑绝缘体层传输时作用，产生四波混频效应实现全光波长转换；本发明的全光波长转换器件，由于只采用普通单模光纤进行打磨或拉锥，结构简单，拓扑绝缘体纳米粒采用光诱导或喷涂的方法转移至光纤上，制作工艺简单。且拓扑绝缘体材料具有大的光学非线性特性以及较高的损伤阈值，利用倏逝波与拓扑绝缘体材料作用产生四波混频效应制作的全光波长转换器件具有噪声指数低，不易受环境温度的影响，稳定性好的特点。

附图说明

图1为本发明第一种实施例的透视图；