Conversiones de longitud de onda transparente y conjugada de fase de Nyquist 16

May 18, 2023

Scientific Reports volumen 6, Número de artículo: 22379 (2016) Citar este artículo

1474 Accesos

8 citas

7 Altmetric

Detalles de métricas

Una corrección del autor de este artículo se publicó el 30 de septiembre de 2021

Este artículo ha sido actualizado

Fabricamos un dispositivo óptico no lineal basado en una sección transversal de fibra flexible recubierta con grafeno de una sola capa cultivado mediante el método de deposición química de vapor (CVD). Utilizando el dispositivo óptico no lineal asistido por grafeno fabricado y empleando la señal de modulación de amplitud en cuadratura (16-QAM) Nyquist 16-ary, demostramos experimentalmente la conversión de longitud de onda conjugada de fase mediante la mezcla degenerada de cuatro ondas (FWM) y la conversión de longitud de onda transparente mediante FWM no degenerado en grafeno. Estudiamos la eficiencia de conversión como funciones de la potencia de la bomba y la longitud de onda de la bomba y evaluamos el rendimiento de la tasa de error de bit (BER). También comparamos la secuencia de símbolos variable en el tiempo para las conversiones de longitud de onda transparente y conjugada de fase asistida por grafeno de la señal Nyquist 16-QAM.

El grafeno1, una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red de panal hexagonal, es un componente básico de materiales de carbono conocidos como el grafito, los nanotubos de carbono y el fullereno. El grafeno ha atraído un alto nivel de interés en la investigación debido a sus excepcionales propiedades electrónicas y fotónicas2,3,4,5. Tiene una estructura de banda lineal sin masa E±(p) = ±V|p|, donde el signo superior (inferior) corresponde a la banda de electrones (huecos), p es el cuasi-momento y V ≈ 106 m/s es el Velocidad de Fermi. Recientemente, se ha informado sobre una variedad de dispositivos fotónicos basados ​​en grafeno, incluidos polarizadores de ancho de banda amplio6, fotodetectores ultrarrápidos7,8, moduladores de banda ancha9,10, sensores altamente sensibles11, láseres pulsados ​​ultrarrápidos y de banda ultraancha12,13,14,15,16. Debido a que posee una estructura de banda lineal que permite transiciones ópticas entre bandas en el rango de banda ultraancha (en el rango infrarrojo y visible), se ha sugerido que el grafeno es un material que podría tener grandes no linealidades χ(3)17. Como la respuesta no lineal del grafeno es esencialmente sin dispersión en la longitud de onda y mucho más fuerte en comparación con los semiconductores a granel, es naturalmente adaptable para el proceso FWM. Se ha observado FWM en grafeno en varias configuraciones, por ejemplo, guía de ondas de cristal fotónico de grafeno-silicio de luz lenta18, grafeno depositado ópticamente en casquillos de fibra19 y grafeno basado en microfibra20,21. Muy recientemente, Xu y sus colaboradores22 informaron sobre una observación experimental de conversión de longitud de onda basada en FWM de una señal sin retorno a cero (NRZ) de 10 Gb/s con grafeno exfoliado mecánicamente.

Es bien sabido que el aumento de la eficiencia espectral se ha convertido en una forma eficaz de escalar la tasa de datos23,24. Los formatos de modulación óptica avanzada se han vuelto de gran importancia para permitir redes de transporte óptico de alta capacidad25 donde la función de conversión de longitud de onda es muy deseada. Las señales de conformación de pulsos de Nyquist se han utilizado ampliamente en sistemas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM). Además, la tecnología Nyquist WDM puede transmitir varios canales de diferentes longitudes de onda en una sola fibra y exhibir una mayor eficiencia de espectro en contraste con el WDM convencional. En la anterior conversión de longitud de onda sintonizable basada en FWM26, el formato de modulación avanzada es la modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) con información de 2 bits codificada en 1 símbolo. En este trabajo se adopta la señal de modulación de amplitud en cuadratura 16-aria (16-QAM) con información de 4 bits codificada en 1 símbolo, que posee mayor eficiencia espectral27,28. Por lo tanto, la combinación de la señal de forma de pulso de Nyquist y 16-QAM puede ser una forma atractiva de aumentar aún más la eficiencia espectral. En este escenario, un objetivo loable sería desarrollar la conversión de longitud de onda de las señales de modelado de pulsos de Nyquist mediante la explotación de un dispositivo óptico no lineal asistido por grafeno.

En este artículo, considerando la combinación de una señal de formato de modulación óptica avanzada (señal de conformación de pulso de Nyquist) y la no linealidad óptica de un dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa, mostramos una observación experimental de la conversión de longitud de onda basada en FWM degenerada/no degenerada de un Señal Nyquist 16-QAM de 5 Gbaudios. Estudiamos las propiedades de ajuste de la longitud de onda y la eficiencia de conversión como funciones de la longitud de onda y la potencia de la bomba. Además, caracterizamos el rendimiento de la conversión de longitud de onda 16-QAM de Nyquist midiendo la BER en función de la relación señal/ruido óptica recibida (OSNR). La secuencia de símbolos variable en el tiempo para la conversión de longitud de onda conjugada de fase por FWM degenerado y la conversión de longitud de onda transparente por FWM no degenerado también se miden para comparar.

La Figura 1 muestra la configuración experimental para la conversión de longitud de onda basada en FWM degenerado/no degenerado utilizando un dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa. La salida de onda continua (CW) de un láser de cavidad externa (ECL1) sirve como luz de señal para el proceso FWM degenerado/no degenerado y se modula con una señal Nyquist 16-QAM a 5 Gbaudios mediante una entrada óptica de polarización única. modulador de fase/cuadratura (I/Q). Se utiliza un generador de forma de onda arbitraria (AWG) para producir la señal eléctrica. La señal modulada de 5 Gbaud Nyquist 16-QAM luego se amplifica mediante un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) seguido de un filtro de película delgada para suprimir el ruido de emisión espontánea amplificada (ASE). Posteriormente, la señal Nyquist 16-QAM de 5 Gbaud se combina con una segunda bomba CW de ECL2 para FWM degenerado y también una tercera bomba CW de ECL4 para FWM no degenerado a través de un acoplador, amplificado mediante un EDFA de alta potencia (HP-EDFA ) y se lanzó al dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa. Los estados de polarización de la señal Nyquist 16-QAM y las bombas CW se ajustan para lograr una eficiencia de conversión optimizada de FWM degenerado/no degenerado en el dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa. La señal Nyquist 16-QAM amplificada y las bombas CW participan en los procesos FWM degenerados/no degenerados cuando pasan a través del dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa y se generan los rodillos recién convertidos, copiando la información de datos transportada por la señal. Después del proceso de conversión de longitud de onda FWM degenerada/no degenerada, la rueda loca recién convertida se selecciona utilizando dos filtros sintonizables (TF1, TF2) para una detección coherente. Primero, la rueda loca recién convertida se selecciona mediante el uso de TF1. El nivel de potencia de la rueda loca recién convertida es relativamente bajo, por lo que EDFA2 amplifica la rueda loca convertida seleccionada. En segundo lugar, para suprimir el ruido ASE originado por EDFA2, se utiliza otro TF2. Es decir, TF1 se usa para seleccionar la rueda loca recién convertida y TF2 se usa para suprimir el ruido ASE. La salida CW de ECL3 sirve como luz de referencia para una detección coherente. Se emplean un atenuador óptico variable (VOA) y un EDFA de bajo ruido (EDFA3) para ajustar la relación señal-ruido óptica recibida (OSNR) para las mediciones de BER. Se utiliza un analizador de espectro óptico (OSA) para monitorear los espectros ópticos.

Configuración experimental para la conversión de longitud de onda basada en FWM degenerado/no degenerado en un dispositivo de fibra recubierta de grafeno.

Recuadro: muestra de grafeno de "estructura intercalada" utilizada como dispositivo óptico no lineal. ECL: láser de cavidad externa; AWG: generador de forma de onda arbitraria; TF: filtro sintonizable; OC: acoplador óptico; PC: controlador de polarización; OSA: analizador de espectro óptico.

El ancho de línea del láser ECL1 es de 100 KHz. En el transmisor, los datos de información se mapean primero en formato 16-QAM y luego se empaquetan en tramas de datos. En cada cuadro, se transmiten 38400 símbolos de datos después del preámbulo. Insertamos 1 piloto en cada 63 símbolos de datos para la recuperación de fase. El preámbulo incluye dos secuencias M de 63 símbolos como secuencias de sincronización y cuatro secuencias M de 127 símbolos como secuencias de entrenamiento. Después de 2 muestras por muestreo ascendente de símbolo, las señales se moldean digitalmente con un filtro de coseno elevado (RRC). El factor de roll-off del RRC es 0,01. Después de los convertidores de digital a analógico (DAC), los filtros eléctricos de paso bajo con un ancho de banda de 4,4 GHz se utilizan como filtros antisolapamiento para eliminar la radiación fuera de banda. En el receptor, se adopta un filtro RRC adaptado. Después de la sincronización, las señales se vuelven a muestrear a 2 muestras por símbolo y las secuencias de entrenamiento se recogen para la estimación y ecualización del canal en el dominio del tiempo. Después de la ecualización, la fase se corrige con pilotos y se estima más con el algoritmo de búsqueda de fase ciega (BPS). Finalmente, la tasa de bits erróneos (BER) se mide mediante el conteo de errores. Los espectros de RF de la forma de onda del pulso de Nyquist antes del filtro RRC y después del filtro RRC se muestran en la Fig. 2.

Los espectros de RF de la forma de onda del pulso de Nyquist (a) antes del filtro RRC y (b) después del filtro RRC.

Primero demostramos la conversión de longitud de onda de la señal Nyquist 16-QAM basada en el proceso FWM degenerado en el dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa. En el experimento, la longitud de onda de la señal se fija en 1552,52 nm. La Figura 3 (a) muestra un espectro FWM degenerado de salida típico obtenido después del dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa. Se genera una rueda loca recién convertida a 1547,71 nm cuando la bomba se ajusta a 1550,12 nm. Aquí, tomamos FWM degenerado como ejemplo y medimos el espectro de salida sin grafeno como referencia en las mismas condiciones experimentales. Además, repetimos el experimento agregando fibras monomodo adicionales de 2 m y 5 m en la configuración y obtenemos casi los mismos resultados experimentales. Como se muestra claramente en la Fig. 3 (b), se observa que la potencia de la rueda loca convertida sin grafeno es ~ 5.8 dB más baja que la que tiene grafeno. Es decir, bajo las mismas condiciones experimentales, la rueda loca convertida sin grafeno es ~73,7 % más baja que la que tiene grafeno. Por lo tanto, el FWM degenerado en el grafeno contribuye más en el proceso de conversión de longitud de onda.

( a ) Espectros FWM medidos con (negro) y sin (rojo) dispositivo de fibra recubierta de grafeno. (b) Recuadro: espectro ampliado de la rueda loca convertida.

Definimos la eficiencia de conversión como la relación de potencia del inactivo convertido a la señal. La figura 4(a) muestra la eficiencia de conversión de FWM degenerada medida en función de la potencia de la bomba (λbomba = 1550,12 nm, λseñal = 1552,52 nm). La eficiencia de conversión aumenta con la potencia de la bomba. La eficiencia de conversión η de FWM se puede expresar aproximadamente como η = (γ∙Pp∙L)2, donde γ es el coeficiente no lineal efectivo, Pp es la potencia de la bomba y L es la longitud. De hecho, la curva de eficiencia de conversión en la Fig. 4(a) parece seguir una relación de 2:1 para la eficiencia de conversión versus el bombeo a una potencia de bombeo relativamente alta por encima de 25 dBm, mientras que se vuelve subcuadrática a una potencia de bombeo relativamente más baja. Un fenómeno tan interesante podría atribuirse al efecto de absorción saturable del grafeno. A una potencia de bombeo más baja, la absorción por el grafeno limita la eficiencia de conversión, lo que da como resultado una relación subcuadrática entre la eficiencia de conversión y la potencia de bombeo. Por el contrario, a una potencia de bomba más alta, la absorción por el grafeno es saturable y, por lo tanto, la eficiencia de conversión dependiente de la potencia de la bomba sigue una relación cuadrática que está de acuerdo con la teoría de ecuaciones de modo acoplado no lineal bajo una aproximación de envolvente de variación lenta y una aproximación de no agotamiento de la bomba. . Además, también se estudia la operación sintonizable de conversión de longitud de onda. Una bomba CW en la longitud de onda λpump y una señal de datos en la longitud de onda λsignal se combinan y se envían a un dispositivo no lineal asistido por grafeno con una alta no linealidad de tercer orden (χ(3)). Debido a la conservación de energía en el proceso FWM degenerado, la longitud de onda de la onda inactiva recién convertida puede escribirse como 1/λconv = 2/λbomba−1/λseñal. Por lo tanto, se puede lograr una longitud de onda sintonizable simplemente ajustando la longitud de onda de la bomba o la longitud de onda de la señal, es decir, la bomba λ variable o la señal λ dan como resultado una conv λ variable. Por lo tanto, la longitud de onda inactiva convertida se puede sintonizar simplemente cambiando la longitud de onda de la bomba, es decir, conversión de longitud de onda sintonizable incluso para una longitud de onda de señal de entrada fija. La Figura 4(b) muestra la eficiencia de conversión FWM degenerada medida de la conversión de longitud de onda sintonizable con un dispositivo de fibra recubierta de grafeno cuando la potencia de salida de HP-EDFA se fija en 30,5 dBm. La longitud de onda de la señal se fija en 1552,52 nm y la longitud de onda de la bomba se ajusta de 1550,09 nm a 1554,92 nm. Se observa una relación de longitud de onda lineal entre la longitud de onda de la bomba y la rueda loca convertida. La eficiencia de conversión varía menos de 3 dB dentro del rango de sintonización de la longitud de onda de la bomba.

(a) Eficiencia de conversión medida en función de la potencia de la bomba. (b) Eficiencia de conversión medida y longitud de onda inactiva convertida frente a longitud de onda de la bomba.

Luego demostramos la conversión de longitud de onda de la señal Nyquist 16-QAM basada en el proceso FWM no degenerado en el dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa. La Figura 5 muestra un espectro FWM no degenerado de salida típico obtenido después del dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa (λpump1 = 1549.32, λpump2 = 1552.52 nm, λsignal = 1551.32 nm).

Espectro FWM no degenerado medido con dispositivo de fibra recubierta de grafeno.

Para la conversión de longitud de onda basada en el proceso FWM degenerado, como se muestra en la Fig. 3, el campo eléctrico de la rueda loca recién convertida cumple la relación Eidler ∝ E2pumpE*señal, donde Eidler, Epump y Esignal representan los campos eléctricos complejos de la rueda loca recién convertida, bomba de entrada y señal de entrada, respectivamente. "∗" denota el complejo conjugado del campo eléctrico. Por lo tanto, la rueda libre recién convertida no toma la misma información de datos transportada por la señal original sino su copia de "fase conjugada".

Para la conversión de longitud de onda basada en el proceso FWM no degenerado, como se muestra en la Fig. 5, el campo eléctrico de la rueda loca recién convertida satisface la relación de Eidler ∝ Epump1EsignalE*pump2, donde Epump1 y Epump2 representan los campos eléctricos complejos de dos bombas de entrada. Por lo tanto, el inactivo recién convertido copia exactamente la misma información de datos transportada por la señal original, es decir, una conversión de longitud de onda completamente transparente.

El inactivo convertido es una copia de "fase conjugada" de la señal de datos original en el proceso de FWM26 degenerado basado en grafeno. En este trabajo, para verificar la conversión de longitud de onda conjugada de fase por FWM degenerado y también la conversión de longitud de onda transparente por FWM no degenerado, medimos, registramos y comparamos la secuencia típica de símbolos variables en el tiempo de los inactivos recién convertidos por degenerado/no degenerado. FWM y la señal original (espalda con espalda), como se muestra en la Fig. 6. Se puede ver claramente en la Fig. 6 que la rueda loca recién convertida por FWM degenerado voltea sus puntos de constelación en el plano I/Q complejo con respecto a la I- eje, correspondiente a la conjugación de fase de la señal Nyquist 16-QAM original. Por el contrario, el inactivo recién convertido por FWM no degenerado duplica la constelación de la señal original, correspondiente a la conversión de longitud de onda transparente de la señal Nyquist 16-QAM original.

Secuencia de símbolos variables en el tiempo de rodillos recién convertidos por FWM degenerado/no degenerado y señal original (B-to-B).

Para caracterizar el rendimiento de la conversión de longitud de onda 16-QAM de Nyquist, medimos aún más la curva BER como una función de la OSNR recibida para la señal consecutiva (B-to-B) y la rueda libre recién convertida. La Figura 7(a) representa el rendimiento de BER medido para la conversión de longitud de onda FWM degenerada de 16-QAM de Nyquist ajustable con la rueda libre convertida generada a 1547,71, 1546,12 y 1544,52 nm, respectivamente. La potencia de HP-EDFA se establece en 31 dBm. Las eficiencias de conversión medidas para rodillos recién convertidos a 1547,71, 1546,12 y 1544,52 nm son −38,83, −42,47 y −50,21 dB, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 7(a), la penalización OSNR observada es de alrededor de 1 dB a una BER de 1 × 10−3 (umbral de corrección de errores de reenvío (FEC) del 7 %) para la conversión de longitud de onda 16-QAM de Nyquist con el inactivo convertido en 1547,71 nm. Las penalizaciones de OSNR recibidas de ~1,4 dB a una BER de 1 × 10−3 se observan para los inactivos convertidos a 1546,12 y 1544,52 nm. La mayor penalización de OSNR se debe principalmente a la reducción de la eficiencia de conversión para los rodillos convertidos a 1546,12 y 1544,52 nm. La Figura 7(b) representa gráficamente el rendimiento de BER medido para la conversión de longitud de onda FWM no degenerada de 16-QAM de Nyquist ajustable con la rueda libre recién convertida generada a 1548,11 nm. La penalización OSNR observada es de alrededor de 1,6 dB con una BER de 1 × 10−3. Las inserciones de la derecha de la Fig. 7 representan las constelaciones correspondientes de las señales B-a-B y los rodillos recién convertidos. Los resultados obtenidos que se muestran en las Figs. 3, 4, 5, 6, 7 implican un rendimiento favorable logrado para la conversión de longitud de onda de la señal 16-QAM de Nyquist utilizando una sección transversal de cable flexible de fibra recubierta con una sola capa de grafeno.

(a) BER medido frente a OSNR recibido para la conversión de longitud de onda FWM degenerada de la señal Nyquist 16-QAM. (b) BER medido frente a OSNR recibido para la conversión de longitud de onda FWM no degenerada de la señal Nyquist 16-QAM. Los recuadros muestran constelaciones de señales B-to-B y rodillos recién convertidos.

Luo y sus coautores29 demostraron experimentalmente que el grafeno puede generar FWM. El grafeno utilizado en su experimento se preparó mediante la ruta basada en solución. Luego, el polímero de grafeno se transfirió a la cara final de la fibra óptica. Sin embargo, en nuestro trabajo, el grafeno de una sola capa se cultivó mediante el método CVD, que puede tener una calidad más alta que la ruta basada en solución30. En realidad, el grafeno de alta calidad también tiene un alto umbral de daño. Para el grafeno exfoliado mecánicamente con alta calidad22, no se observan daños significativos incluso aplicando una potencia de entrada ultraalta de 35 dBm (~3 W). En este trabajo, el grafeno de una sola capa se cultiva mediante el método CVD. El grafeno fabricado y transferido también muestra alta calidad. En el experimento, no observamos el daño del grafeno (quemado o perforado), incluso la potencia de entrada es de hasta 33 dBm. Entonces, el umbral de daño de la fibra óptica recubierta de grafeno puede ser ≥33 dBm. Además, la mayor calidad del grafeno es de gran beneficio para las no linealidades de χ(3) más grandes. Por lo tanto, el dispositivo óptico no lineal basado en una sección transversal de fibra flexible recubierta con grafeno de una sola capa desarrollado por CVD podría mostrar un rendimiento favorable en aplicaciones prácticas.

Debido a que posee una estructura de banda lineal que permite transiciones ópticas entre bandas en el rango de banda ultraancha (en el rango infrarrojo y visible), se ha sugerido que el grafeno es un material que podría tener grandes no linealidades χ(3)17. Como la respuesta no lineal del grafeno es esencialmente sin dispersión en la longitud de onda y mucho más fuerte en comparación con los semiconductores a granel, es naturalmente adaptable para el proceso FWM. Además, observamos experimentalmente una mejora máxima de 5,8 dB de eficiencia de conversión en el dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa, como se muestra en la Fig. 3 (b). El mecanismo de mejora se puede explicar de la siguiente manera: para dispositivos ópticos no lineales asistidos por grafeno, el coeficiente de Kerr no lineal efectivo total es en realidad las contribuciones combinadas del grafeno y el material del dispositivo (por ejemplo, silicio en guía de ondas de grafeno-silicio, sílice en fibra recubierta de grafeno). ). Los coeficientes de Kerr de sílice en fibra, silicio y grafeno son ~10−20 m2/W, ~10−18 m2/W y ~10−11 m2/W, respectivamente31,32,33. La no linealidad de tercer orden del grafeno es varios órdenes de magnitud mayor que la del sílice en fibra y silicio, lo que se debe a la estructura de banda lineal única de los electrones π17,22. Por lo tanto, la no linealidad efectiva combinada del dispositivo óptico no lineal asistido por grafeno aumenta y el grafeno mejora el proceso FWM. Además, trabajos anteriores han demostrado que la respuesta no lineal es sensible al número de capas de grafeno17. Por lo tanto, es posible mejorar aún más la respuesta FWM degenerada y no degenerada generada a partir de diferentes capas de grafeno aumentando adecuadamente la cantidad de capas de grafeno empleadas en el experimento.

Los fenómenos de FWM degenerados y no degenerados se han demostrado en amplificadores ópticos semiconductores34 (SOA), fibras altamente no lineales35 (HNLF), guías de ondas de silicio36. En el proceso de conversión de longitud de onda FWM basada en guía de ondas de silicio, la absorción de dos fotones (TPA) y la dispersión de longitud de onda son factores importantes que deben tenerse en cuenta. La absorción de portador libre inducida por TPA es fuerte a altas potencias de bombeo. El proceso de cambio de fase no lineal de la automodulación de fase (SPM) y la modulación de fase cruzada (XPM) puede provocar el deterioro de la señal. La gran susceptibilidad de tercer orden χ(3) del grafeno también podría dar lugar a efectos Kerr no lineales como FWM, TPA, dispersión Raman estimulada (SRS), dispersión Brillouin estimulada (SBS), SPM y XPM. Por lo tanto, uno puede preguntarse si las conversiones de longitud de onda transparente y conjugada de fase basadas en grafeno todavía pueden ocurrir, especialmente para señales de formatos de modulación óptica avanzada, por ejemplo, Nyquist 16-QAM. Uno también puede preguntarse cuál es la influencia del XPM, SPM en la calidad de la señal (por ejemplo, la degradación de la relación señal-ruido) en el proceso de conversión de longitud de onda basada en FWM asistida por grafeno de la señal Nyquist 16-QAM. Los experimentos anteriores sobre FWM mejorado en dispositivos ópticos no lineales asistidos por grafeno han demostrado un rendimiento impresionante, como los trabajos de CW Wong y YJ Rao18,20,21,37,38. En este documento, fabricamos un dispositivo de fibra recubierta de grafeno con el grafeno colocado dentro del conector de dos fibras, que es totalmente compatible con los sistemas de transmisión de fibra óptica existentes. Demostramos experimentalmente la conversión de longitud de onda conjugada de fase por FWM degenerado y la conversión de longitud de onda transparente por FWM no degenerado en grafeno. También caracterizamos el rendimiento de la conversión de longitud de onda 16-QAM de Nyquist midiendo la BER en función de la OSNR óptica recibida. La respuesta no lineal de banda ancha, las grandes no linealidades χ(3) y la compatibilidad con los sistemas de transmisión de fibra óptica existentes podrían permitir arquitecturas novedosas para aplicaciones de procesamiento de señales ópticas.

En primer lugar, se ha observado experimentalmente FWM en grafeno que se transfiere mecánicamente en la cara final de la fibra óptica. La conversión de longitud de onda basada en FWM degenerado/no degenerado de la señal de formato de modulación avanzada (por ejemplo, Nyquist 16-QAM) se demuestra aún más en el experimento. En segundo lugar, comparamos en detalle la eficiencia de conversión medida con y sin grafeno. Se observa que la potencia de la rueda ociosa convertida sin grafeno es ~5,8 dB menor que la que tiene grafeno. También aclaramos que la eficiencia de conversión mejorada proviene principalmente de la alta no linealidad del grafeno. Además, la longitud de onda inactiva convertida se puede ajustar de manera flexible cambiando la longitud de onda de la bomba y la eficiencia de conversión varía ligeramente. Por último, para la conversión de longitud de onda de fase conjugada Nyquist 16-QAM basada en FWM degenerado, las penalizaciones de OSNR observadas son de alrededor de 1, 1,4 y 1,4 dB a una BER de 1 × 10−3 con el inactivo convertido generado a 1547,71, 1546,12 y 1544,52 nm. respectivamente. Para la conversión Nyquist 16-QAM de longitud de onda transparente basada en FWM no degenerado, la penalización de OSNR observada es de alrededor de 1,6 dB a una BER de 1 × 10−3 con el inactivo convertido generado a 1548,11 nm. Se espera que los dispositivos ópticos no lineales asistidos por grafeno puedan encontrar aplicaciones de procesamiento de señales ópticas más interesantes.

Para fabricar el dispositivo óptico no lineal basado en un grafeno de una sola capa, como se muestra en la Fig. 8, el grafeno de una sola capa se cultiva primero en una lámina de Cu mediante el método CVD39. La película de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) se recubre a continuación por rotación sobre la superficie de la lámina de Cu depositada con grafeno y la lámina de Cu se graba con una solución de FeCl3 1 M. Luego, la lámina flotante de PMMA/grafeno se transfiere mecánicamente a la sección transversal de la fibra flexible y se seca en un gabinete. Después de secar a temperatura ambiente durante unas 24 horas, los átomos de carbono podrían autoensamblarse en el extremo de la fibra gracias a la fuerte viscosidad del grafeno. La capa de PMMA se elimina finalmente hirviendo acetona. Al conectar este componente de grafeno en fibra con otro conector de fibra FC/PC limpio y seco, el dispositivo óptico no lineal se construye para aplicaciones de conversión de longitud de onda basadas en FWM degeneradas/no degeneradas. Aquí, la fibra es una fibra monomodo estándar y sirve como refuerzo. La hoja de grafeno cultivada se transfiere en silicio sobre aislante (SOI) para la caracterización SEM como se muestra en la Fig. 9 (a). El espectro Raman seleccionado se muestra en la Fig. 9 (b). Se observan fuertes bandas 2D y G, acompañadas de una débil banda D, a 2698, 1582 y 1351 cm−1, respectivamente. La relación I2D/IG medida de 1,65 confirma la formación de monocapa de grafeno40. Las bajas proporciones de intensidad máxima de D a G ~0.08 indican que el grafeno formado en un sustrato de SiO2/Si está casi libre de defectos41.

Proceso de fabricación del dispositivo óptico no lineal asistido por grafeno.

( a ) Imagen SEM de grafeno transferido en silicio sobre aislante (SOI). (b) Espectro Raman típico de grafeno de una sola capa sobre un sustrato de SiO2/Si (longitud de onda de excitación: 532 nm).

Cómo citar este artículo: Hu, X. et al. Conversiones de longitud de onda transparente y conjugada de fase de señales Nyquist 16-QAM que emplean un dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa. ciencia Rep. 6, 22379; doi: 10.1038/srep22379 (2016).

Se ha publicado una corrección de este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-021-99221-z

Geim, AK & Novoselov, KS El auge del grafeno. Nat. Mate. 6, 183–191 (2007).

Artículo ADS CAS Google Académico

Bonaccorso, F. et al. Fotónica y optoelectrónica de grafeno. Nat. Fotónica 4, 611–622 (2010).

Artículo ADS CAS Google Académico

Schwierz, F. Transistores de grafeno. nacional nanotecnología 5, 487-496 (2010).

Artículo ADS CAS Google Académico

Liao, L. et al. Transistores de grafeno de alta velocidad con una puerta de nanocable autoalineada. Naturaleza 467, 305–308 (2010).

Artículo ADS CAS Google Académico

Bao, Q. & Loh, KP Fotónica de grafeno, plasmónica y dispositivos optoelectrónicos de banda ancha. ACS Nano 6, 3677–3694 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Bao, Q. et al. Polarizador de grafeno de banda ancha. Nat. Fotónica 5, 411–415 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Xia, F. et al. Fotodetector de grafeno ultrarrápido. Nat. Nanotecnología. 4, 839–843 (2009).

Artículo ADS CAS Google Académico

Gan, X. et al. Fotodetector de grafeno ultrarrápido integrado en chip con alta capacidad de respuesta. Nat. Fotónica 7, 883–887 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

Liu, M. et al. Un modulador óptico de banda ancha basado en grafeno. Naturaleza 474, 64–67 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Liu, M. et al. Modulador óptico de grafeno de doble capa. Nano Lett. 12, 1482–1485 (2012).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Yao, B. et al. Sensor de gas NH3 interferométrico Mach-Zehnder totalmente óptico basado en guía de onda híbrida de grafeno/microfibra. Sens. Actuators B 194, 142–148 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Bao, Q. et al. Grafeno de capa atómica como absorbente saturable para láseres pulsados ​​ultrarrápidos. Adv. Función Mate. 19, 3077–3083 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Sun, Z. et al. Láser ultrarrápido bloqueado en modo grafeno. ACS Nano 4, 803–810 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Bao, Q. et al. Grafeno monocapa como absorbente saturable en un láser de modo bloqueado. Nano Res. 4, 297–307 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Ma, J. et al. Espejo absorbente saturable de película de grafeno-oro versátil en longitud de onda para bloqueo de modo de banda ultraancha de láseres a granel. ciencia Rep. 4, 5016 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Popa, D. et al. Generación de pulsos de menos de 200 fs a partir de un láser de fibra bloqueado en modo grafeno. aplicación física Letón. 97, 203106 (2010).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Hendry, E. et al. Respuesta óptica no lineal coherente del grafeno. física Rev. Lett. 105, 097401 (2010).

Artículo ADS CAS Google Académico

Gu, T. et al. Oscilación regenerativa y mezcla de cuatro ondas en optoelectrónica de grafeno. Nat. Fotónica 6, 554–559 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Xu, B. et al. Generación de mezcla de cuatro ondas en grafeno y nanotubos de carbono depositados ópticamente sobre virolas de fibra. CLEO: Ciencia e Innovaciones. Sociedad Óptica de América, CMAA6 (2011).

Wu, Y. et al. Mezcla de cuatro ondas en una microfibra adherida a una película de grafeno. Fotónico. tecnología L. IEEE 26, 249–252 (2014).

Artículo ADS CAS Google Académico

Wu, Y. et al. Generación de mezcla de cuatro ondas en cascada con microfibra recubierta de grafeno. Fotón. Investigación 3, A64–A68 (2015).

Artículo Google Académico

Xu, B. et al. Grafeno exfoliado mecánicamente para conversión de longitud de onda basada en mezcla de cuatro ondas. Fotónico. tecnología L. IEEE 24, 1792–1794 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Schmogrow, R. et al. Generación de pulsos de Nyquist en tiempo real más allá de 100 Gbit/s y su relación con OFDM. Optar. Expreso 20, 317–337 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Bosco, G. et al. Límites de rendimiento de Nyquist-WDM y CO-OFDM en sistemas PM-QPSK de alta velocidad. Fotónico. tecnología L. IEEE 22, 1129–1131 (2010).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Winzer, PJ & Essiambre, RJ Formatos de modulación avanzados para redes de transporte óptico de alta capacidad. J. Tecnología de ondas de luz. 24, 4711–4728 (2006).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Hu, X. et al. Dispositivo óptico no lineal asistido por grafeno para conversión de longitud de onda sintonizable basada en mezcla de cuatro ondas de señal QPSK. Optar. Expreso 23, 26158–26167 (2015).

Artículo ADS CAS Google Académico

Willner, AE et al. Procesamiento de señal completamente óptico. J. Tecnología de ondas de luz. 32, 660–680 (2014).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Winzer, PJ Formatos de modulación óptica de alta eficiencia espectral. J. Tecnología de ondas de luz. 30, 3824–3835 (2012).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Luo, Z. et al. Mezcla no lineal de cuatro ondas inducida por grafeno y su aplicación a láseres de fibra dopados con tierras raras con conmutación Q de longitud de onda múltiple. J. Tecnología de ondas de luz. 29, 2732–2739 (2011).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Novoselov, KS y col. Una hoja de ruta para el grafeno. Naturaleza 490, 192–200 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Prigent, L. y Hamaide, J.-P. Medición del coeficiente de Kerr no lineal de la fibra mediante mezcla de cuatro ondas. Fotónico. tecnología L. IEEE 5, 1092–1095 (1993).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Dinu, M. et al. No linealidades de tercer orden en silicio en longitudes de onda de telecomunicaciones. aplicación física Letón. 82, 2954–2956 (2003).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zhang, H. et al. Medición Z-scan del índice de refracción no lineal del grafeno. Optar. Letón. 37, 1856–1858 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Matsuura M. & Kishi, N. Conversión de longitud de onda de alta velocidad de la señal RZ-DPSK usando FWM en una SOA de puntos cuánticos. Tecnología fotónica IEEE. Letón. 23, 615–617 (2011).

Artículo ADS CAS Google Académico

Wang, J. et al. Demostración experimental en compuerta XOR lógica de multidifusión totalmente óptica de 40 Gbit/s para señales NRZ-DPSK utilizando mezcla de cuatro ondas en fibra altamente no lineal. Optar. común 282, 2615–2619 (2009).

Artículo ADS CAS Google Académico

Li, C. et al. Conversión de longitud de onda totalmente óptica en chip de señales de modulación multinivel y multiportadora (OFDM m-QAM) utilizando una guía de ondas de silicio. Optar. Letón. 39, 4583–4586, (2014).

Artículo ADS CAS Google Académico

Gu, T. et al. Mezcla coherente de cuatro ondas en cristales fotónicos híbridos de grafeno y silicio. J. Sel. Arriba. Electrón Cuántico. IEEE 20, 7500106 (2014).

Artículo Google Académico

Zhou, H. et al. Mezcla mejorada de cuatro ondas en guía de ondas de cristal fotónico de luz lenta de grafeno-silicio. aplicación física Letón. 105, 091111 (2014).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Yan, K. et al. Diseño de crecimiento CVD de grafeno a través de ingeniería de procesos. Cuentas de Chem. Res. 46, 2263–2274 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

Li, X. et al. Síntesis de gran área de películas de grafeno uniformes y de alta calidad en láminas de cobre. Ciencia 324, 1312–1314 (2009).

Artículo ADS CAS Google Académico

Ferrari, AC et al. Espectro Raman de grafeno y capas de grafeno. Phy. Rev. Lett. 97, 187401 (2006).

Artículo ADS CAS Google Académico

Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC) con las subvenciones 61222502 y 61077051, el Programa para los Excelentes Talentos del Nuevo Siglo en la Universidad (NCET-11-0182), el Proyecto del Plan de Ciencia y Tecnología de Wuhan con la subvención 2014070404010201, el Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales (HUST) en virtud de las subvenciones 2012YQ008 y 2013ZZGH003 y el proyecto semilla del Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan (WNLO). Los autores agradecen al ingeniero del Centro de Microfabricación y Caracterización (CMFC) de WNLO por el apoyo en la fabricación del dispositivo de fibra recubierta de grafeno y el apoyo de las instalaciones del Centro de Caracterización y Dispositivos a Nanoescala de WNLO.

Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan, Escuela de Información Óptica y Electrónica, Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, Wuhan, 430074, Hubei, China

Xiao Hu, Yun Long, Jun Liu y Jian Wang

Facultad de Química y Ciencias Moleculares, Universidad de Wuhan, Wuhan, 430074, Hubei, China

Mengqi Zeng y Lei Fu

State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, Universidad de Pekín, 100871, Pekín, China

Yixiao Zhu, Kaiheng Zou y Fan Zhang

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

JW desarrolló el concepto y concibió los experimentos. XH y MZ fabricaron el dispositivo de fibra recubierta de grafeno. XH, YL, JL, YZ y KZ llevaron a cabo los experimentos. XH y JW analizaron los datos experimentales. FZ y LF brindaron soporte técnico. Todos los autores contribuyeron a escribir y finalizar el documento. JW supervisó el proyecto.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

Este trabajo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en la línea de crédito; si el material no está incluido bajo la licencia Creative Commons, los usuarios deberán obtener el permiso del titular de la licencia para reproducir el material. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Reimpresiones y permisos

Hu, X., Zeng, M., Long, Y. et al. Conversiones de longitud de onda transparente y conjugada de fase de señales Nyquist 16-QAM que emplean un dispositivo de fibra recubierta de grafeno de una sola capa. Informe científico 6, 22379 (2016). https://doi.org/10.1038/srep22379

Descargar cita

Recibido: 22 de octubre de 2015

Aceptado: 08 febrero 2016

Publicado: 02 marzo 2016

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

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Informes científicos (2019)

Química Analítica y Bioanalítica (2019)

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.