Phasenkonjugierte und transparente Wellenlängenumwandlungen von Nyquist 16

May 18, 2023

Scientific Reports Band 6, Artikelnummer: 22379 (2016) Diesen Artikel zitieren

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Wir stellen ein nichtlineares optisches Gerät her, das auf einem Faser-Pigtail-Querschnitt basiert, der mit einem einschichtigen Graphen beschichtet ist, das durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gezüchtet wird. Unter Verwendung des hergestellten Graphen-unterstützten nichtlinearen optischen Geräts und des Nyquist 16-ary Quadraturamplitudenmodulationssignals (16-QAM) demonstrieren wir experimentell die phasenkonjugierte Wellenlängenumwandlung durch entartete Vierwellenmischung (FWM) und die transparente Wellenlängenumwandlung durch nicht entartetes FWM in Graphen. Wir untersuchen die Konversionseffizienz als Funktionen der Pumpleistung und Pumpwellenlänge und bewerten die Leistung der Bitfehlerrate (BER). Wir vergleichen auch die zeitlich variierende Symbolsequenz für Graphen-unterstützte phasenkonjugierte und transparente Wellenlängenumwandlungen des Nyquist 16-QAM-Signals.

Graphen1, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Wabengitter angeordnet sind, ist ein Grundbaustein bekannter Kohlenstoffmaterialien wie Graphit, Kohlenstoffnanoröhren und Fulleren. Graphen hat aufgrund seiner außergewöhnlichen elektronischen und photonischen Eigenschaften großes Forschungsinteresse geweckt2,3,4,5. Es hat eine lineare, masselose Bandstruktur E±(p) = ±V|p|, wobei das obere (untere) Vorzeichen dem Elektronen-(Loch-)Band entspricht, p der Quasiimpuls und V ≈ 106 m/s der ist Fermi-Geschwindigkeit. Kürzlich wurde über eine Vielzahl von photonischen Geräten auf Graphenbasis berichtet, darunter Polarisatoren mit großer Bandbreite6, ultraschnelle Fotodetektoren7,8, Breitbandmodulatoren9,10, hochempfindliche Sensoren11 sowie ultraschnelle und ultrabreitbandige gepulste Laser12,13,14,15,16. Aufgrund seiner linearen Bandstruktur, die optische Interbandübergänge im Ultrabreitbandbereich (im Infrarot- und sichtbaren Bereich) ermöglicht, wurde Graphen als Material vorgeschlagen, das möglicherweise große χ(3)-Nichtlinearitäten aufweist17. Da die nichtlineare Reaktion von Graphen über die Wellenlänge im Wesentlichen dispersionsfrei und im Vergleich zu Massenhalbleitern viel stärker ist, ist es natürlich für den FWM-Prozess anpassbar. FWM wurde bei Graphen in verschiedenen Konfigurationen beobachtet, z. B. langsam lichtempfindlicher Graphen-Silizium-Photonenkristallwellenleiter18, optisch auf Faserhülsen abgeschiedenes Graphen19 und auf Mikrofasern basierendes Graphen20,21. Erst kürzlich haben Xu und Mitarbeiter22 über eine experimentelle Beobachtung der FWM-basierten Wellenlängenkonvertierung eines 10-Gb/s-Non-Return-to-Zero-Signals (NRZ) mit mechanisch abgeblättertem Graphen berichtet.

Es ist bekannt, dass die Steigerung der spektralen Effizienz ein wirksames Mittel zur Erhöhung der Datenrate ist23,24. Fortgeschrittene optische Modulationsformate sind von großer Bedeutung geworden, um optische Transportnetze mit hoher Kapazität25 zu ermöglichen, bei denen eine Wellenlängenumwandlungsfunktion dringend erwünscht ist. Nyquist-Pulsformungssignale werden häufig in WDM-Systemen (Wellenlängenmultiplex) verwendet. Darüber hinaus kann die Nyquist-WDM-Technologie eine Reihe unterschiedlicher Wellenlängenkanäle in einer einzigen Faser übertragen und weist im Vergleich zu herkömmlichem WDM eine höhere Spektrumseffizienz auf. Bei der bisherigen FWM-basierten abstimmbaren Wellenlängenumwandlung26 ist das fortschrittliche Modulationsformat die Quadratur-Phasenumtastung (QPSK) mit 2-Bit-Informationen, die in einem Symbol kodiert sind. In dieser Arbeit wird das 16-äre Quadraturamplitudenmodulationssignal (16-QAM) mit 4-Bit-Informationen, die in einem Symbol codiert sind, verwendet, das eine höhere spektrale Effizienz aufweist27,28. Daher könnte die Kombination aus Nyquist-Pulsformungssignal und 16-QAM eine attraktive Möglichkeit sein, die spektrale Effizienz weiter zu steigern. In diesem Szenario wäre ein lobenswertes Ziel die Entwicklung der Wellenlängenumwandlung von Nyquist-Pulsformungssignalen durch Nutzung graphengestützter nichtlinearer optischer Geräte.

In diesem Artikel zeigen wir unter Berücksichtigung der Kombination aus einem fortschrittlichen optischen Modulationsformatsignal (Nyquist-Pulsformungssignal) und der optischen Nichtlinearität eines einschichtigen, mit Graphen beschichteten Fasergeräts eine experimentelle Beobachtung der Wellenlängenumwandlung auf der Basis von degeneriertem/nicht entartetem FWM von a 5 GBaud Nyquist 16-QAM-Signal. Wir untersuchen die Wellenlängenabstimmungseigenschaften und die Konversionseffizienz als Funktionen der Pumpwellenlänge und Pumpleistung. Darüber hinaus charakterisieren wir die Leistung der Nyquist 16-QAM-Wellenlängenkonvertierung, indem wir die BER als Funktion des empfangenen optischen Signal-Rausch-Verhältnisses (OSNR) messen. Zum Vergleich werden auch zeitlich veränderliche Symbolsequenzen für die phasenkonjugierte Wellenlängenumwandlung durch entartete FWM und die transparente Wellenlängenumwandlung durch nicht entartete FWM gemessen.

Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau für die Wellenlängenumwandlung auf Basis von degeneriertem/nicht entartetem FWM unter Verwendung eines einschichtigen, mit Graphen beschichteten Fasergeräts. Der Dauerstrichausgang (CW) eines externen Hohlraumlasers (ECL1) dient als Signallicht für den entarteten/nicht entarteten FWM-Prozess und wird mit einem Nyquist-16-QAM-Signal bei 5 GBaud durch einen optischen Eingang mit einfacher Polarisation moduliert. Phasen-/Quadraturmodulator (I/Q). Zur Erzeugung des elektrischen Signals wird ein Arbiträrwellenformgenerator (AWG) verwendet. Das modulierte 5-GBaud-Nyquist-16-QAM-Signal wird dann durch einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA) verstärkt, gefolgt von einem Dünnschichtfilter, um das Rauschen der verstärkten spontanen Emission (ASE) zu unterdrücken. Anschließend wird das 5-GBaud-Nyquist-16-QAM-Signal mit einer zweiten CW-Pumpe von ECL2 für entartetes FWM und einer dritten CW-Pumpe von ECL4 für nicht entartetes FWM über einen Koppler kombiniert und mit einem Hochleistungs-EDFA (HP-EDFA) verstärkt ) und in das einschichtige, mit Graphen beschichtete Fasergerät eingeführt. Die Polarisationszustände des Nyquist-16-QAM-Signals und der CW-Pumpen werden angepasst, um eine optimierte Umwandlungseffizienz von entartetem/nicht entartetem FWM im einschichtigen, mit Graphen beschichteten Fasergerät zu erreichen. Das verstärkte Nyquist-16-QAM-Signal und die CW-Pumpen sind an den degenerierten/nicht-degenerierten FWM-Prozessen beteiligt, wenn sie durch das einschichtige, mit Graphen beschichtete Fasergerät laufen, und es werden neu umgewandelte Leiträder erzeugt, die die vom Signal übertragenen Dateninformationen kopieren. Nach dem degenerierten/nicht entarteten FWM-Wellenlängenumwandlungsprozess wird der neu konvertierte Idler mithilfe zweier abstimmbarer Filter (TF1, TF2) für die kohärente Erkennung ausgewählt. Zunächst wird das neu konvertierte Leitrad mithilfe von TF1 ausgewählt. Der Leistungspegel der neu umgebauten Spannrolle ist relativ niedrig, daher wird die ausgewählte umgebaute Spannrolle durch EDFA2 verstärkt. Zweitens wird ein weiterer TF2 verwendet, um das von EDFA2 verursachte ASE-Rauschen zu unterdrücken. Das heißt, TF1 wird verwendet, um den neu konvertierten Leerlauf auszuwählen, und TF2 wird verwendet, um das ASE-Rauschen zu unterdrücken. Der CW-Ausgang von ECL3 dient als Referenzlicht für die kohärente Erkennung. Ein variabler optischer Dämpfer (VOA) und ein rauscharmer EDFA (EDFA3) werden verwendet, um das empfangene optische Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR) für BER-Messungen anzupassen. Zur Überwachung der optischen Spektren wird ein optischer Spektrumanalysator (OSA) verwendet.

Versuchsaufbau zur Wellenlängenumwandlung basierend auf degenerierter/nicht entarteter FWM in einem mit Graphen beschichteten Fasergerät.

Einschub: Graphenprobe mit „Sandwichstruktur“, die als nichtlineares optisches Gerät verwendet wird. ECL: External-Cavity-Laser; AWG: Arbiträrer Wellenformgenerator; TF: abstimmbarer Filter; OC: optischer Koppler; PC: Polarisationsregler; OSA: optischer Spektrumanalysator.

Die Linienbreite des ECL1-Lasers beträgt 100 kHz. Beim Sender werden die Informationsdaten zunächst im 16-QAM-Format abgebildet und anschließend in Datenrahmen verpackt. In jedem Frame werden nach der Präambel 38400 Datensymbole übertragen. Zur Phasenwiederherstellung fügen wir jeweils 1 Pilot in alle 63 Datensymbole ein. Die Präambel umfasst zwei M-Sequenzen mit 63 Symbolen als Synchronisationssequenzen und vier M-Sequenzen mit 127 Symbolen als Trainingssequenzen. Nach 2 Abtastungen pro Symbol-Upsampling werden die Signale mit einem Root-Raised-Cosine-Filter (RRC) digital geformt. Der Roll-Off-Faktor des RRC beträgt 0,01. Nach Digital-Analog-Wandlern (DAC) werden elektrische Tiefpassfilter mit der Bandbreite von 4,4 GHz als Anti-Aliasing-Filter verwendet, um Außerbandstrahlung zu entfernen. Beim Empfänger wird ein angepasster RRC-Filter eingesetzt. Nach der Synchronisierung werden die Signale erneut auf 2 Abtastwerte pro Symbol abgetastet und die Trainingssequenzen werden für die Kanalschätzung und Entzerrung im Zeitbereich aufgenommen. Nach der Entzerrung wird die Phase mit Piloten korrigiert und mit dem Blind Phase Search (BPS)-Algorithmus weiter geschätzt. Schließlich wird das Bitfehlerverhältnis (BER) durch Fehlerzählung gemessen. Die HF-Spektren der Nyquist-Pulswellenform vor dem RRC-Filter und nach dem RRC-Filter sind in Abb. 2 dargestellt.

Die HF-Spektren der Nyquist-Pulswellenform (a) vor dem RRC-Filter und (b) nach dem RRC-Filter.

Wir demonstrieren zunächst die Wellenlängenumwandlung des Nyquist 16-QAM-Signals basierend auf dem entarteten FWM-Prozess im einschichtigen, mit Graphen beschichteten Fasergerät. Im Experiment ist die Signalwellenlänge auf 1552,52 nm festgelegt. Abbildung 3(a) zeigt ein typisches degeneriertes FWM-Ausgangsspektrum, das nach dem einschichtigen, mit Graphen beschichteten Fasergerät erhalten wurde. Ein neu umgewandelter Leerlauf bei 1547,71 nm wird erzeugt, wenn die Pumpe auf 1550,12 nm abgestimmt wird. Hier nehmen wir als Beispiel degeneriertes FWM und messen das Ausgangsspektrum ohne Graphen als Referenz unter den gleichen experimentellen Bedingungen. Darüber hinaus wiederholen wir das Experiment, indem wir dem Aufbau zusätzliche 2-m- und 5-m-Singlemode-Fasern hinzufügen, und erhalten fast die gleichen experimentellen Ergebnisse. Wie in Abb. 3(b) deutlich zu sehen ist, ist die Leistung des umgebauten Leitrads ohne Graphen um etwa 5,8 dB niedriger als diejenige mit Graphen. Das heißt, unter den gleichen Versuchsbedingungen ist der umgewandelte Idler ohne Graphen ~73,7 % niedriger als der mit Graphen. Daher trägt die entartete FWM in Graphen stärker zum Wellenlängenumwandlungsprozess bei.

(a) Gemessene FWM-Spektren mit (schwarz) und ohne (rot) mit Graphen beschichtetem Fasergerät. (b) Einschub: vergrößertes Spektrum der umgebauten Leitrolle.

Wir definieren den Umwandlungswirkungsgrad als das Leistungsverhältnis von umgewandeltem Idler zu Signal. Abbildung 4(a) zeigt den gemessenen Wirkungsgrad der degenerierten FWM-Umwandlung als Funktion der Pumpleistung (λpump = 1550,12 nm, λsignal = 1552,52 nm). Der Umwandlungswirkungsgrad steigt mit der Pumpleistung. Der Umwandlungswirkungsgrad η von FWM kann ungefähr als η = (γ∙Pp∙L)2 ausgedrückt werden, wobei γ der effektive nichtlineare Koeffizient, Pp die Pumpleistung und L die Länge ist. Tatsächlich scheint die Umwandlungseffizienzkurve in Abb. 4(a) bei relativ hoher Pumpleistung über 25 dBm einem Verhältnis von 2:1 für die Umwandlungseffizienz gegenüber der Pumpe zu folgen, während sie bei relativ niedriger Pumpleistung subquadratisch verläuft. Ein solches interessantes Phänomen könnte auf den sättigbaren Absorptionseffekt von Graphen zurückgeführt werden. Bei geringerer Pumpleistung begrenzt die Absorption durch Graphen die Umwandlungseffizienz, was zu einem subquadratischen Zusammenhang zwischen Umwandlungseffizienz und Pumpleistung führt. Im Gegensatz dazu ist bei höherer Pumpleistung die Absorption durch Graphen sättigbar und daher folgt die von der Pumpleistung abhängige Umwandlungseffizienz einer quadratischen Beziehung, die mit der Theorie nichtlinearer gekoppelter Modengleichungen unter langsam variierender Hüllkurvennäherung und Pump-Nicht-Verarmungsnäherung übereinstimmt . Darüber hinaus wird auch der abstimmbare Betrieb der Wellenlängenumwandlung untersucht. Eine CW-Pumpe mit der Wellenlänge λpump und ein Datensignal mit der Wellenlänge λsignal werden kombiniert und an ein graphengestütztes nichtlineares Gerät mit hoher Nichtlinearität dritter Ordnung (χ(3)) gesendet. Aufgrund der Energieeinsparung im entarteten FWM-Prozess kann die Wellenlänge der neu umgewandelten Leerlaufwelle durch 1/λconv = 2/λpump−1/λsignal geschrieben werden. Daher kann man eine abstimmbare Wellenlänge erreichen, indem man einfach die Pumpwellenlänge oder die Signalwellenlänge anpasst, dh eine variable λ-Pumpe oder ein veränderliches λ-Signal führt zu einer veränderlichen λ-Umwandlung. Somit kann die umgewandelte Idler-Wellenlänge einfach durch Ändern der Pumpwellenlänge abgestimmt werden, d. h. eine abstimmbare Wellenlängenumwandlung selbst für eine feste Eingangssignalwellenlänge. Abbildung 4(b) zeigt die gemessene degenerierte FWM-Umwandlungseffizienz der abstimmbaren Wellenlängenumwandlung mit einem mit Graphen beschichteten Fasergerät, wenn die Ausgangsleistung von HP-EDFA auf 30,5 dBm festgelegt ist. Die Signalwellenlänge ist auf 1552,52 nm festgelegt und die Pumpwellenlänge ist von 1550,09 nm bis 1554,92 nm abgestimmt. Es wird eine lineare Wellenlängenbeziehung zwischen der umgewandelten Idler- und Pumpwellenlänge beobachtet. Die Umwandlungseffizienz variiert innerhalb des Pumpwellenlängen-Abstimmbereichs um weniger als 3 dB.

(a) Gemessener Umwandlungswirkungsgrad im Vergleich zur Pumpleistung. (b) Gemessene Umwandlungseffizienz und umgewandelte Idlerwellenlänge im Vergleich zur Pumpwellenlänge.

Anschließend demonstrieren wir die Wellenlängenumwandlung des Nyquist-16-QAM-Signals basierend auf dem nicht entarteten FWM-Prozess im einschichtigen, mit Graphen beschichteten Fasergerät. Abbildung 5 zeigt ein typisches nicht entartetes FWM-Ausgangsspektrum, das nach dem einschichtigen Graphen-beschichteten Fasergerät erhalten wurde (λpump1 = 1549,32, λpump2 = 1552,52 nm, λsignal = 1551,32 nm).

Gemessenes nicht entartetes FWM-Spektrum mit einem mit Graphen beschichteten Fasergerät.

Für die Wellenlängenumwandlung basierend auf dem entarteten FWM-Prozess, wie in Abb. 3 dargestellt, erfüllt das elektrische Feld des neu umgewandelten Idlers die Beziehung Eidler ∝ E2pumpE*signal, wobei Eidler, Epump und Esignal die komplexen elektrischen Felder des neu umgewandelten Idlers darstellen. Eingangspumpe bzw. Eingangssignal. „∗“ bezeichnet das komplex Konjugierte des elektrischen Feldes. Daher übernimmt der neu konvertierte Idler nicht die gleichen Dateninformationen, die im Originalsignal enthalten sind, sondern dessen „phasenkonjugierte“ Kopie.

Für die Wellenlängenumwandlung basierend auf einem nicht entarteten FWM-Prozess, wie in Abb. 5 dargestellt, erfüllt das elektrische Feld des neu umgewandelten Idlers die Beziehung Eidler ∝ Epump1EsignalE*pump2, wobei Epump1 und Epump2 die komplexen elektrischen Felder zweier Eingangspumpen darstellen. Daher kopiert der neu konvertierte Idler genau die gleichen Dateninformationen, die im ursprünglichen Signal enthalten sind, dh eine vollständig transparente Wellenlängenkonvertierung.

Der umgewandelte Leerlauf ist eine „phasenkonjugierte“ Kopie des ursprünglichen Datensignals im Prozess des degenerierten Graphen-basierten FWM26. Um in dieser Arbeit die phasenkonjugierte Wellenlängenumwandlung durch entartetes FWM und auch die transparente Wellenlängenumwandlung durch nicht entartetes FWM zu verifizieren, messen, zeichnen und vergleichen wir die typische zeitlich variierende Symbolsequenz neu umgewandelter Idler durch entartetes/nicht entartetes FWM FWM und Originalsignal (Rücken an Rücken), wie in Abb. 6 dargestellt. Aus Abb. 6 ist deutlich zu erkennen, dass der durch degenerierte FWM neu konvertierte Idler seine Konstellationspunkte in der komplexen I/Q-Ebene in Bezug auf die I- umdreht. Achse, entsprechend der Phasenkonjugation des ursprünglichen Nyquist 16-QAM-Signals. Im Gegensatz dazu dupliziert der neu konvertierte Idler durch nicht entartetes FWM die Konstellation des ursprünglichen Signals, was der transparenten Wellenlängenkonvertierung des ursprünglichen Nyquist-16-QAM-Signals entspricht.

Zeitlich veränderliche Symbolsequenz neu konvertierter Idler durch degenerierte/nicht degenerierte FWM und ursprüngliches Signal (B-zu-B).

Um die Leistung der Nyquist 16-QAM-Wellenlängenkonvertierung zu charakterisieren, messen wir außerdem die BER-Kurve als Funktion des empfangenen OSNR für Back-to-Back-Signale (B-zu-B) und neu konvertierte Idler. Abbildung 7(a) zeigt die gemessene BER-Leistung für die abstimmbare Nyquist 16-QAM degenerierte FWM-Wellenlängenkonvertierung mit dem konvertierten Idler, der bei 1547,71, 1546,12 bzw. 1544,52 nm erzeugt wird. Die Leistung von HP-EDFA ist auf 31 dBm eingestellt. Die gemessenen Umwandlungswirkungsgrade für neu umgebaute Umlenkrollen bei 1547,71, 1546,12 und 1544,52 nm betragen –38,83, –42,47 bzw. –50,21 dB. Wie in Abb. 7(a) gezeigt, beträgt der beobachtete OSNR-Einbußen etwa 1 dB bei einer BER von 1 × 10−3 (7 % Vorwärtsfehlerkorrekturschwelle (FEC)) für die Nyquist-16-QAM-Wellenlängenkonvertierung mit dem konvertierten Idler bei 1547,71 nm. Die empfangenen OSNR-Einbußen von ~1,4 dB bei einer BER von 1 × 10−3 werden für konvertierte Idler bei 1546,12 und 1544,52 nm beobachtet. Die erhöhte OSNR-Einbuße ist hauptsächlich auf die verringerte Umwandlungseffizienz für umgebaute Leitrollen bei 1546,12 und 1544,52 nm zurückzuführen. Abbildung 7(b) zeigt die gemessene BER-Leistung für die abstimmbare, nicht entartete Nyquist 16-QAM-FWM-Wellenlängenkonvertierung mit dem neu konvertierten Idler, der bei 1548,11 nm erzeugt wurde. Die beobachtete OSNR-Einbuße beträgt etwa 1,6 dB bei einer BER von 1 × 10−3. Die rechten Einschübe von Abb. 7 zeigen entsprechende Konstellationen der B-zu-B-Signale und neu konvertierten Idler. Die erhaltenen Ergebnisse sind in den Abbildungen dargestellt. 3, 4, 5, 6, 7 deuten auf eine günstige Leistung hin, die bei der Wellenlängenumwandlung des Nyquist-16-QAM-Signals unter Verwendung eines mit einer einschichtigen Graphen beschichteten Faser-Pigtail-Querschnitts erreicht wird.

(a) Gemessene BER im Vergleich zum empfangenen OSNR für die degenerierte FWM-Wellenlängenumwandlung des Nyquist-16-QAM-Signals. (b) Gemessene BER im Vergleich zum empfangenen OSNR für nicht entartete FWM-Wellenlängenkonvertierung des Nyquist-16-QAM-Signals. Einschübe zeigen Konstellationen der B-zu-B-Signale und neu umgebaute Leitrollen.

Luo und Co-Autoren29 haben experimentell gezeigt, dass Graphen FWM erzeugen kann. Das in ihrem Experiment verwendete Graphen wurde auf lösungsbasiertem Weg hergestellt. Anschließend wurde das Graphen-Polymer auf die Endfläche der optischen Faser übertragen. In unserer Arbeit wurde das einschichtige Graphen jedoch mit der CVD-Methode gezüchtet, die möglicherweise eine höhere Qualität aufweist als der lösungsbasierte Weg30. Tatsächlich weist hochwertiges Graphen auch eine hohe Schadensschwelle auf. Bei mechanisch abgeblättertem Graphen mit hoher Qualität22 wird selbst bei Anwendung einer ultrahohen Eingangsleistung von 35 dBm (~3 W) kein nennenswerter Schaden beobachtet. In dieser Arbeit wird das einschichtige Graphen mittels CVD-Methode gezüchtet. Auch das hergestellte und übertragene Graphen weist eine hohe Qualität auf. Im Experiment beobachten wir keine Schäden durch Graphen (verbrannt oder durchstochen), selbst wenn die Eingangsleistung bis zu 33 dBm beträgt. Daher kann die Schadensschwelle der mit Graphen beschichteten optischen Faser ≥33 dBm betragen. Darüber hinaus ist die höhere Qualität von Graphen von großem Vorteil bei größeren χ(3)-Nichtlinearitäten. Daher könnte das nichtlineare optische Gerät, das auf einem Faser-Pigtail-Querschnitt basiert, der mit einem durch CVD gewachsenen einschichtigen Graphen beschichtet ist, in praktischen Anwendungen eine günstige Leistung zeigen.

Aufgrund seiner linearen Bandstruktur, die optische Interbandübergänge im Ultrabreitbandbereich (im Infrarot- und sichtbaren Bereich) ermöglicht, wurde Graphen als Material vorgeschlagen, das möglicherweise große χ(3)-Nichtlinearitäten aufweist17. Da die nichtlineare Reaktion von Graphen über die Wellenlänge im Wesentlichen dispersionsfrei und im Vergleich zu Massenhalbleitern viel stärker ist, ist es natürlich für den FWM-Prozess anpassbar. Darüber hinaus beobachten wir experimentell eine maximale Steigerung der Umwandlungseffizienz um 5,8 dB in der einschichtigen, mit Graphen beschichteten Faservorrichtung, wie in Abb. 3 (b) dargestellt. Der Verbesserungsmechanismus kann wie folgt erklärt werden: Bei graphenunterstützten nichtlinearen optischen Geräten ist der gesamte effektive nichtlineare Kerr-Koeffizient tatsächlich die kombinierten Beiträge des Graphens und des Gerätematerials (z. B. Silizium in Graphen-Silizium-Wellenleitern, Silizium in graphenbeschichteten Fasern). ). Die Kerr-Koeffizienten von Siliziumdioxid in Fasern, Silizium und Graphen betragen jeweils ~10−20 m2/W, ~10−18 m2/W und ~10−11 m2/W31,32,33. Die Nichtlinearität dritter Ordnung von Graphen ist um mehrere Größenordnungen größer als die von Siliziumdioxid in Fasern und Silizium, was auf die einzigartige lineare Bandstruktur von π-Elektronen zurückzuführen ist17,22. Dadurch wird die kombinierte effektive Nichtlinearität eines graphenunterstützten nichtlinearen optischen Geräts erhöht und das Graphen verbessert den FWM-Prozess. Darüber hinaus haben frühere Arbeiten gezeigt, dass die nichtlineare Reaktion empfindlich von der Anzahl der Graphenschichten abhängt17. Daher ist es möglich, die degenerierte und nicht degenerierte FWM-Reaktion, die von verschiedenen Graphenschichten erzeugt wird, weiter zu verbessern, indem die Anzahl der im Experiment verwendeten Graphenschichten entsprechend erhöht wird.

Die Phänomene der entarteten und nicht entarteten FWM wurden in optischen Halbleiterverstärkern34 (SOAs), hochnichtlinearen Fasern35 (HNLFs) und Siliziumwellenleitern36 nachgewiesen. Bei der FWM-Wellenlängenumwandlung auf Siliziumwellenleiterbasis sind Zweiphotonenabsorption (TPA) und Wellenlängendispersion wichtige Faktoren, die berücksichtigt werden müssen. Die TPA-induzierte Absorption freier Träger ist bei hohen Pumpleistungen stark. Der nichtlineare Phasenverschiebungsprozess der Selbstphasenmodulation (SPM) und Kreuzphasenmodulation (XPM) kann zu einer Signalverschlechterung führen. Die große Suszeptibilität dritter Ordnung χ(3) von Graphen könnte auch zu nichtlinearen Kerr-Effekten wie FWM, TPA, stimulierter Raman-Streuung (SRS), stimulierter Brillouin-Streuung (SBS), SPM und XPM führen. Man könnte sich also fragen, ob die auf Graphen basierenden phasenkonjugierten und transparenten Wellenlängenumwandlungen immer noch stattfinden können, insbesondere für fortgeschrittene optische Modulationsformate, z. B. Nyquist 16-QAM. Man könnte sich auch fragen, welchen Einfluss XPM und SPM auf die Signalqualität (z. B. Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses) im Prozess der graphengestützten FWM-basierten Wellenlängenkonvertierung des Nyquist-16-QAM-Signals haben. Frühere Experimente zu verbesserter FWM in Graphen-unterstützten nichtlinearen optischen Geräten wurden mit beeindruckender Leistung demonstriert, wie beispielsweise die Arbeiten von CW Wong und YJ Rao18,20,21,37,38. In diesem Artikel stellen wir ein mit Graphen beschichtetes Fasergerät her, bei dem das Graphen im Verbindungsstück zweier Fasern platziert wird und das vollständig mit bestehenden Glasfaserübertragungssystemen kompatibel ist. Wir demonstrieren experimentell die phasenkonjugierte Wellenlängenumwandlung durch entartete FWM und die transparente Wellenlängenumwandlung durch nicht entartete FWM in Graphen. Wir charakterisieren auch die Leistung der Nyquist 16-QAM-Wellenlängenkonvertierung, indem wir die BER als Funktion des empfangenen optischen OSNR messen. Die breitbandige nichtlineare Reaktion, die großen χ(3)-Nichtlinearitäten und die Kompatibilität mit bestehenden Glasfaserübertragungssystemen könnten neuartige Architekturen für optische Signalverarbeitungsanwendungen ermöglichen.

Erstens wurde FWM in Graphen experimentell beobachtet, das mechanisch auf die Endfläche einer optischen Faser übertragen wird. Die degenerierte/nicht entartete FWM-basierte Wellenlängenumwandlung eines Signals im fortgeschrittenen Modulationsformat (z. B. Nyquist 16-QAM) wird im Experiment weiter demonstriert. Zweitens vergleichen wir detailliert die gemessene Umwandlungseffizienz mit und ohne Graphen. Es wurde beobachtet, dass die Leistung des umgebauten Idlers ohne Graphen um etwa 5,8 dB niedriger ist als diejenige mit Graphen. Wir stellen außerdem klar, dass die verbesserte Umwandlungseffizienz hauptsächlich auf die hohe Nichtlinearität von Graphen zurückzuführen ist. Darüber hinaus kann die umgewandelte Idler-Wellenlänge durch Ändern der Pumpwellenlänge flexibel angepasst werden und die Umwandlungseffizienz variiert geringfügig. Schließlich liegen für die phasenkonjugierte Nyquist-16-QAM-Wellenlängenkonvertierung auf der Basis von degeneriertem FWM die beobachteten OSNR-Einbußen bei etwa 1, 1,4 und 1,4 dB bei einer BER von 1 × 10−3, wobei der konvertierte Idler bei 1547,71, 1546,12 und 1544,52 nm erzeugt wird. jeweils. Für die transparente Wellenlängen-Nyquist-16-QAM-Konvertierung basierend auf nicht entartetem FWM beträgt der beobachtete OSNR-Einbußen etwa 1,6 dB bei einer BER von 1 × 10−3, wobei der konvertierte Idler bei 1548,11 nm erzeugt wird. Es wird erwartet, dass graphengestützte nichtlineare optische Geräte interessantere Anwendungen für die optische Signalverarbeitung finden könnten.

Um das nichtlineare optische Gerät auf Basis eines einschichtigen Graphens herzustellen, wie in Abb. 8 dargestellt, wird einschichtiges Graphen zunächst mit der CVD-Methode auf einer Cu-Folie gezüchtet. Als nächstes wird ein Film aus Poly(methylmethacrylat) (PMMA) durch Schleuderbeschichtung auf die Oberfläche der mit Graphen abgeschiedenen Cu-Folie aufgetragen und die Cu-Folie wird mit 1 M FeCl3-Lösung weggeätzt. Anschließend wird die schwebende PMMA/Graphen-Folie mechanisch auf den Faser-Pigtail-Querschnitt übertragen und in einem Schrank getrocknet. Nach etwa 24-stündigem Trocknen bei Raumtemperatur konnten sich die Kohlenstoffatome dank der starken Viskosität von Graphen selbst auf der Faserendfläche anordnen. Die PMMA-Schicht wird abschließend durch kochendes Aceton entfernt. Durch die Verbindung dieser Graphen-auf-Faser-Komponente mit einem anderen sauberen und trockenen FC/PC-Faserstecker wird das nichtlineare optische Gerät für entartete/nicht entartete FWM-basierte Wellenlängenumwandlungsanwendungen konstruiert. Hier ist die Faser eine Standard-Singlemode-Faser und dient als Stütze. Die gewachsene Graphenschicht wird zur SEM-Charakterisierung auf Silizium-auf-Insulter (SOI) übertragen, wie in Abb. 9 (a) dargestellt. Das ausgewählte Raman-Spektrum ist in Abb. 9 (b) dargestellt. Es werden starke 2D- und G-Banden beobachtet, begleitet von einer schwachen D-Bande, bei 2698, 1582 bzw. 1351 cm−1. Das gemessene I2D/IG-Verhältnis von 1,65 bestätigt die Bildung von Monoschicht-Graphen40. Die niedrigen D-zu-G-Peakintensitätsverhältnisse von ~0,08 weisen darauf hin, dass das auf einem SiO2/Si-Substrat gebildete Graphen nahezu defektfrei ist41.

Herstellungsprozess des graphenunterstützten nichtlinearen optischen Geräts.

(a) SEM-Bild von Graphen, übertragen auf Silizium-auf-Isolator (SOI). (b) Typisches Raman-Spektrum von einschichtigem Graphen auf einem SiO2/Si-Substrat (Anregungswellenlänge: 532 nm).

Zitierweise für diesen Artikel: Hu, X. et al. Phasenkonjugierte und transparente Wellenlängenumwandlungen von Nyquist-16-QAM-Signalen unter Verwendung eines einschichtigen, mit Graphen beschichteten Fasergeräts. Wissenschaft. Rep. 6, 22379; doi: 10.1038/srep22379 (2016).

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41598-021-99221-z

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (NSFC) im Rahmen der Zuschüsse 61222502 und 61077051, dem Program for New Century Excellent Talents in University (NCET-11-0182), dem Wuhan Science and Technology Plan Project im Rahmen der Zuschüsse 2014070404010201 unterstützt Grundlagenforschungsfonds für die Zentraluniversitäten (HUST) im Rahmen der Zuschüsse 2012YQ008 und 2013ZZGH003 und des Startprojekts des Wuhan National Laboratory for Optoelectronics (WNLO). Die Autoren danken dem Ingenieur im Center of Micro-Fabrication and Characterization (CMFC) der WNLO für die Unterstützung bei der Herstellung von mit Graphen beschichteten Fasergeräten und der Einrichtungsunterstützung des Center for Nanoscale Characterization and Devices der WNLO.

Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, Hubei, China

Xiao Hu, Yun Long, Jun Liu und Jian Wang

Hochschule für Chemie und Molekularwissenschaften, Universität Wuhan, Wuhan, 430074, Hubei, China

Mengqi Zeng & Lei Fu

Staatliches Schlüssellabor für fortgeschrittene optische Kommunikationssysteme und Netzwerke, Universität Peking, 100871, Peking, China

Yixiao Zhu, Kaiheng Zou und Fan Zhang

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JW entwickelte das Konzept und konzipierte die Experimente. XH und MZ stellten das mit Graphen beschichtete Fasergerät her. XH, YL, JL, YZ und KZ führten die Experimente durch. XH und JW analysierten die experimentellen Daten. FZ und LF leisteten technische Unterstützung. Alle Autoren haben zum Verfassen und Fertigstellen der Arbeit beigetragen. JW betreute das Projekt.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hu, X., Zeng, M., Long, Y. et al. Phasenkonjugierte und transparente Wellenlängenumwandlungen von Nyquist-16-QAM-Signalen unter Verwendung eines einschichtigen, mit Graphen beschichteten Fasergeräts. Sci Rep 6, 22379 (2016). https://doi.org/10.1038/srep22379

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Eingegangen: 22. Oktober 2015

Angenommen: 08. Februar 2016

Veröffentlicht: 2. März 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep22379

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