[发明专利]一种利用纳米光纤谐振腔实现全光量化的装置及方法

说明书

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。

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。