Conversions de longueur d'onde conjuguées et transparentes de phase de Nyquist 16

Aug 13, 2023

Rapports scientifiques volume 6, Numéro d'article : 22379 (2016) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 30 septembre 2021

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Nous fabriquons un dispositif optique non linéaire basé sur une section transversale de fibre de cochon revêtue d'un graphène monocouche développé par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). En utilisant le dispositif optique non linéaire assisté par graphène fabriqué et en utilisant le signal de modulation d'amplitude en quadrature 16-ary (16-QAM) de Nyquist, nous démontrons expérimentalement la conversion de longueur d'onde conjuguée en phase par mélange dégénéré à quatre ondes (FWM) et la conversion de longueur d'onde transparente par FWM non dégénéré dans le graphène. Nous étudions l'efficacité de conversion en fonction de la puissance de la pompe et de la longueur d'onde de la pompe et évaluons les performances du taux d'erreur sur les bits (BER). Nous comparons également la séquence de symboles variant dans le temps pour les conversions de longueur d'onde conjuguées et transparentes assistées par graphène du signal Nyquist 16-QAM.

Le graphène1, une couche unique d'atomes de carbone disposés dans un réseau hexagonal en nid d'abeille, est un élément de base de matériaux carbonés bien connus tels que le graphite, les nanotubes de carbone et le fullerène. Le graphène a suscité un grand intérêt dans la recherche en raison de ses propriétés électroniques et photoniques exceptionnelles2,3,4,5. Il a une structure de bande linéaire et sans masse E±(p) = ±V|p|, où le signe supérieur (inférieur) correspond à la bande des électrons (trous), p est le quasi-momentum et V ≈ 106 m/s est le Vitesse de Fermi. Récemment, une variété de dispositifs photoniques à base de graphène ont été signalés, notamment des polariseurs à large bande passante6, des photodétecteurs ultrarapides7,8, des modulateurs à large bande9,10, des capteurs très sensibles11, des lasers pulsés ultrarapides et ultralarge bande12,13,14,15,16. En raison de sa structure de bande linéaire qui permet des transitions optiques interbandes dans la gamme ultra large bande (dans la gamme infrarouge et visible), le graphène a été suggéré comme matériau pouvant présenter de grandes non-linéarités χ (3)17. Comme la réponse non linéaire du graphène est essentiellement sans dispersion sur la longueur d'onde et beaucoup plus forte que celle des semi-conducteurs en vrac, elle est naturellement adaptable au processus FWM. La FWM a été observée dans le graphène dans diverses configurations, par exemple le guide d'ondes à cristal photonique graphène-silicium à lumière lente18, le graphène déposé optiquement sur des ferrules de fibre19 et le graphène à base de microfibre20,21. Très récemment, Xu et ses collègues22 ont rapporté une observation expérimentale de la conversion de longueur d'onde basée sur FWM d'un signal de non-retour à zéro (NRZ) de 10 Gb/s avec du graphène exfolié mécaniquement.

Il est bien connu que l'augmentation de l'efficacité spectrale est devenue un moyen efficace lors de l'augmentation du débit de données23,24. Les formats de modulation optique avancés sont devenus d'une grande importance pour permettre des réseaux de transport optique à haute capacité25 où la fonction de conversion de longueur d'onde est fortement souhaitée. Les signaux de mise en forme d'impulsions de Nyquist ont été largement utilisés dans les systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM). De plus, la technologie Nyquist WDM peut transmettre un certain nombre de canaux de longueur d'onde différents dans une seule fibre et présenter une efficacité spectrale supérieure par rapport au WDM conventionnel. Dans la précédente conversion de longueur d'onde accordable basée sur FWM26, le format de modulation avancé est la modulation par déplacement de phase en quadrature (QPSK) avec des informations de 2 bits codées dans 1 symbole. Dans ce travail, le signal de modulation d'amplitude en quadrature 16-aire (16-QAM) avec des informations de 4 bits codées en 1 symbole est adopté, qui possède une efficacité spectrale plus élevée27,28. Ainsi, la combinaison du signal de mise en forme d'impulsion de Nyquist et de la 16-QAM peut être un moyen intéressant d'augmenter encore l'efficacité spectrale. Dans ce scénario, un objectif louable serait de développer la conversion de longueur d'onde des signaux de mise en forme d'impulsions de Nyquist en exploitant un dispositif optique non linéaire assisté par graphène.

Dans cet article, compte tenu de la combinaison d'un signal de format de modulation optique avancé (signal de mise en forme d'impulsions de Nyquist) et de la non-linéarité optique d'un dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche, nous montrons une observation expérimentale de la conversion de longueur d'onde basée sur FWM dégénéré/non dégénéré d'un Signal 5 Gbaud Nyquist 16-QAM. Nous étudions les propriétés d'accord de longueur d'onde et l'efficacité de conversion en fonction de la longueur d'onde de la pompe et de la puissance de la pompe. De plus, nous caractérisons les performances de la conversion de longueur d'onde Nyquist 16-QAM en mesurant le BER en fonction du rapport signal sur bruit optique reçu (OSNR). La séquence de symboles variant dans le temps pour la conversion de longueur d'onde conjuguée en phase par FWM dégénéré et la conversion de longueur d'onde transparente par FWM non dégénéré est également mesurée à des fins de comparaison.

La figure 1 montre la configuration expérimentale pour la conversion de longueur d'onde basée sur FWM dégénéré/non dégénéré à l'aide d'un dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche. La sortie à onde continue (CW) d'un laser à cavité externe (ECL1) sert de signal lumineux pour le processus FWM dégénéré/non dégénéré et est modulée avec le signal Nyquist 16-QAM à 5 Gbaud par une entrée optique à polarisation unique. modulateur de phase/quadrature (I/Q). Un générateur de forme d'onde arbitraire (AWG) est utilisé pour produire le signal électrique. Le signal modulé 5 Gbaud Nyquist 16-QAM est ensuite amplifié par un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) suivi d'un filtre à couche mince pour supprimer le bruit d'émission spontanée amplifié (ASE). Ensuite, le signal 5 Gbaud Nyquist 16-QAM est combiné avec une deuxième pompe CW d'ECL2 pour le FWM dégénéré et également une troisième pompe CW d'ECL4 pour le FWM non dégénéré via un coupleur, amplifié à l'aide d'un EDFA haute puissance (HP-EDFA ) et lancé dans le dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche. Les états de polarisation du signal Nyquist 16-QAM et des pompes CW sont ajustés pour obtenir une efficacité de conversion optimisée du FWM dégénéré/non dégénéré dans le dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche. Le signal amplifié Nyquist 16-QAM et les pompes CW participent aux processus FWM dégénérés/non dégénérés lors du passage à travers le dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche et des rouleaux nouvellement convertis sont générés, copiant les informations de données transportées par le signal. Après le processus de conversion de longueur d'onde FWM dégénérée/non dégénérée, la roue libre nouvellement convertie est sélectionnée à l'aide de deux filtres accordables (TF1, TF2) pour une détection cohérente. Tout d'abord, l'oisif nouvellement converti est sélectionné à l'aide de TF1. Le niveau de puissance de l'oisif nouvellement converti est relativement faible, de sorte que l'oisif converti sélectionné est amplifié par EDFA2. Deuxièmement, afin de supprimer le bruit ASE provenant d'EDFA2, un autre TF2 est utilisé. C'est-à-dire que TF1 est utilisé pour sélectionner l'ider nouvellement converti et TF2 est utilisé pour supprimer le bruit ASE. La sortie CW de l'ECL3 sert de lumière de référence pour une détection cohérente. Un atténuateur optique variable (VOA) et un EDFA à faible bruit (EDFA3) sont utilisés pour ajuster le rapport signal/bruit optique reçu (OSNR) pour les mesures de BER. Un analyseur de spectre optique (OSA) est utilisé pour surveiller les spectres optiques.

Configuration expérimentale pour la conversion de longueur d'onde basée sur un FWM dégénéré/non dégénéré dans un dispositif à fibre revêtue de graphène.

En médaillon : échantillon de graphène à "structure en sandwich" utilisé comme dispositif optique non linéaire. ECL : laser à cavité externe ; AWG : générateur de formes d'onde arbitraires ; TF : filtre accordable ; OC : coupleur optique ; PC : contrôleur de polarisation ; OSA : analyseur de spectre optique.

La largeur de ligne du laser ECL1 est de 100 KHz. Au niveau de l'émetteur, les données d'information sont d'abord mappées au format 16-QAM, puis regroupées dans des trames de données. Dans chaque trame, 38400 symboles de données sont transmis après le préambule. Nous insérons 1 pilote tous les 63 symboles de données pour la récupération de phase. Le préambule comprend deux séquences M de 63 symboles comme séquences de synchronisation et quatre séquences M de 127 symboles comme séquences d'apprentissage. Après un suréchantillonnage de 2 échantillons par symbole, les signaux sont mis en forme numériquement avec un filtre en racine de cosinus surélevé (RRC). Le facteur d'atténuation du RRC est de 0,01. Après les convertisseurs numérique-analogique (DAC), des filtres passe-bas électriques avec une bande passante de 4,4 GHz sont utilisés comme filtres anti-repliement pour éliminer le rayonnement hors bande. Au niveau du récepteur, un filtre RRC adapté est adopté. Après la synchronisation, les signaux sont rééchantillonnés à 2 échantillons par symbole et les séquences d'apprentissage sont captées pour l'estimation et l'égalisation du canal dans le domaine temporel. Après l'égalisation, la phase est corrigée avec des pilotes et ensuite estimée avec l'algorithme de recherche de phase aveugle (BPS). Enfin, le taux d'erreur binaire (BER) est mesuré par comptage d'erreurs. Les spectres RF de la forme d'onde d'impulsion de Nyquist avant le filtre RRC et après le filtre RRC sont illustrés à la Fig. 2.

Les spectres RF de la forme d'onde d'impulsion de Nyquist (a) avant le filtre RRC et (b) après le filtre RRC.

Nous démontrons d'abord la conversion de longueur d'onde du signal Nyquist 16-QAM basée sur le processus FWM dégénéré dans le dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche. Dans l'expérience, la longueur d'onde du signal est fixée à 1552,52 nm. La figure 3 (a) montre un spectre FWM dégénéré de sortie typique obtenu après le dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche. Un tendeur nouvellement converti à 1547,71 nm est généré lorsque la pompe est réglée à 1550,12 nm. Ici, nous prenons FWM dégénéré comme exemple et mesurons le spectre de sortie sans graphène pour référence dans les mêmes conditions expérimentales. De plus, nous répétons l'expérience en ajoutant des fibres monomodes supplémentaires de 2 m et 5 m dans la configuration et obtenons presque les mêmes résultats expérimentaux. Comme le montre clairement la figure 3 (b), la puissance du rouleau converti sans graphène est inférieure d'environ 5, 8 dB à celle avec du graphène. Autrement dit, dans les mêmes conditions expérimentales, l'oisif converti sans graphène est d'environ 73,7 % inférieur à celui avec du graphène. Par conséquent, le FWM dégénéré dans le graphène contribue davantage au processus de conversion de longueur d'onde.

(a) Spectres FWM mesurés avec (noir) et sans (rouge) dispositif à fibre revêtue de graphène. (b) En médaillon : spectre élargi de la roue libre convertie.

Nous définissons l'efficacité de conversion comme le rapport de puissance de l'oisif converti au signal. La figure 4 (a) montre l'efficacité de conversion FWM dégénérée mesurée en fonction de la puissance de la pompe (λpump = 1550,12 nm, λsignal = 1552,52 nm). Le rendement de conversion augmente avec la puissance de la pompe. L'efficacité de conversion η de FWM peut être approximativement exprimée comme η = (γ∙Pp∙L)2, où γ est le coefficient non linéaire effectif, Pp est la puissance de la pompe et L est la longueur. En fait, la courbe d'efficacité de conversion de la Fig. 4 (a) semble suivre un rapport de 2: 1 pour l'efficacité de conversion par rapport à la pompe à une puissance de pompe relativement élevée supérieure à 25 dBm, tandis qu'elle devient sous-quadratique à une puissance de pompe relativement inférieure. Un phénomène aussi intéressant pourrait être attribué à l'effet d'absorption saturable du graphène. À une puissance de pompe inférieure, l'absorption par le graphène limite l'efficacité de conversion, ce qui entraîne la relation sous-quadratique entre l'efficacité de conversion et la puissance de pompe. En revanche, à une puissance de pompe plus élevée, l'absorption par le graphène est saturable et, par conséquent, l'efficacité de conversion dépendant de la puissance de la pompe suit une relation quadratique qui est conforme à la théorie des équations en mode couplé non linéaire sous une approximation d'enveloppe à variation lente et une approximation de non-épuisement de la pompe . De plus, le fonctionnement accordable de la conversion de longueur d'onde est également étudié. Une pompe CW à la longueur d'onde λpump et un signal de données à la longueur d'onde λsignal sont combinés et envoyés dans un dispositif non linéaire assisté par graphène avec une non-linéarité élevée du troisième ordre (χ(3)). En raison de la conservation de l'énergie dans le processus FWM dégénéré, la longueur d'onde de l'onde libre nouvellement convertie peut être écrite par 1/λconv = 2/λpump−1/λsignal. Par conséquent, on peut obtenir une longueur d'onde accordable simplement en ajustant la longueur d'onde de la pompe ou la longueur d'onde du signal, c'est-à-dire que la pompe variable ou le signal X entraînent un Xconv variable. Ainsi, la longueur d'onde de ralenti convertie peut être réglée simplement en changeant la longueur d'onde de pompe, c'est-à-dire une conversion de longueur d'onde accordable même pour une longueur d'onde de signal d'entrée fixe. La figure 4 (b) montre l'efficacité de conversion FWM dégénérée mesurée de la conversion de longueur d'onde accordable avec un dispositif à fibre revêtue de graphène lorsque la puissance de sortie de HP-EDFA est fixée à 30,5 dBm. La longueur d'onde du signal est fixée à 1552,52 nm et la longueur d'onde de la pompe est réglée de 1550,09 nm à 1554,92 nm. Une relation de longueur d'onde linéaire entre la roue libre convertie et la longueur d'onde de pompe est observée. L'efficacité de conversion varie de moins de 3 dB dans la plage d'accord de longueur d'onde de pompe.

(a) Efficacité de conversion mesurée par rapport à la puissance de la pompe. (b) Efficacité de conversion mesurée et longueur d'onde de ralenti convertie en fonction de la longueur d'onde de la pompe.

Nous démontrons ensuite la conversion de longueur d'onde du signal Nyquist 16-QAM basée sur le processus FWM non dégénéré dans le dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche. La figure 5 montre un spectre FWM non dégénéré de sortie typique obtenu après le dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche (λpump1 = 1549,32, λpump2 = 1552,52 nm, λsignal = 1551,32 nm).

Spectre FWM non dégénéré mesuré avec un dispositif à fibre revêtue de graphène.

Pour la conversion de longueur d'onde basée sur le processus FWM dégénéré, comme illustré à la Fig. 3, le champ électrique de l'oisif nouvellement converti correspond à la relation Eidler ∝ E2pumpE * signal, où Eidler, Epump et Esignal représentent les champs électriques complexes de l'oisif nouvellement converti, pompe d'entrée et signal d'entrée, respectivement. "∗" désigne le conjugué complexe du champ électrique. Par conséquent, l'idler nouvellement converti ne prend pas les mêmes informations de données portées par le signal d'origine mais sa copie "conjuguée en phase".

Pour la conversion de longueur d'onde basée sur un processus FWM non dégénéré, comme illustré à la Fig. 5, le champ électrique de l'oisif nouvellement converti satisfait la relation Eidler ∝ Epump1EsignalE*pump2, où Epump1 et Epump2 représentent les champs électriques complexes de deux pompes d'entrée. Par conséquent, l'idler nouvellement converti copie exactement les mêmes informations de données transportées par le signal d'origine, c'est-à-dire une conversion de longueur d'onde entièrement transparente.

L'oisif converti est une copie "conjuguée en phase" du signal de données d'origine dans le processus de FWM26 dégénéré à base de graphène. Dans ce travail, afin de vérifier la conversion de longueur d'onde conjuguée en phase par FWM dégénéré et également la conversion de longueur d'onde transparente par FWM non dégénéré, nous mesurons, enregistrons et comparons la séquence de symboles typique variant dans le temps des oisifs nouvellement convertis par dégénéré/non dégénéré. FWM et signal d'origine (dos à dos), comme illustré à la Fig. 6. On peut clairement voir sur la Fig. 6 que le tendeur nouvellement converti par FWM dégénéré retourne ses points de constellation dans le plan I/Q complexe par rapport au I- correspondant à la conjugaison de phase du signal original Nyquist 16-QAM. En revanche, l'idler nouvellement converti par FWM non dégénéré duplique la constellation du signal d'origine, correspondant à la conversion de longueur d'onde transparente du signal Nyquist 16-QAM d'origine.

Séquence de symboles variant dans le temps des utilisateurs nouvellement convertis par FWM dégénéré/non dégénéré et signal d'origine (B-to-B).

Pour caractériser les performances de la conversion de longueur d'onde Nyquist 16-QAM, nous mesurons en outre la courbe BER en fonction de l'OSNR reçu pour le signal dos à dos (B-to-B) et le signal nouvellement converti. La figure 7 (a) représente les performances mesurées du BER pour la conversion de longueur d'onde FWM dégénérée 16-QAM de Nyquist avec l'oisif converti généré à 1547,71, 1546,12 et 1544,52 nm, respectivement. La puissance de HP-EDFA est fixée à 31 dBm. Les rendements de conversion mesurés pour les rouleaux nouvellement convertis à 1547,71, 1546,12 et 1544,52 nm sont respectivement de -38,83, -42,47 et -50,21 dB. Comme le montre la Fig. 7 (a), la pénalité OSNR observée est d'environ 1 dB à un BER de 1 × 10−3 (seuil de correction d'erreur directe (FEC) de 7%) pour la conversion de longueur d'onde Nyquist 16-QAM avec l'oisif converti à 1547,71 nm. Les pénalités OSNR reçues d'environ 1,4 dB à un BER de 1 × 10−3 sont observées pour les utilisateurs convertis à 1546,12 et 1544,52 nm. L'augmentation de la pénalité OSNR est principalement due à l'efficacité de conversion réduite pour les oisifs convertis à 1546,12 et 1544,52 nm. La figure 7(b) représente les performances de BER mesurées pour la conversion de longueur d'onde FWM non dégénérée 16-QAM de Nyquist avec l'idler nouvellement converti généré à 1548,11 nm. La pénalité OSNR observée est d'environ 1,6 dB à un BER de 1 × 10−3. Les encarts de droite de la figure 7 illustrent des constellations correspondantes des signaux B à B et des oisifs nouvellement convertis. Les résultats obtenus montrés dans les Fig. 3, 4, 5, 6, 7 impliquent des performances favorables obtenues pour la conversion de longueur d'onde du signal Nyquist 16-QAM à l'aide d'une section transversale de fibre de cochon recouverte d'un graphène monocouche.

( a ) BER mesuré par rapport à l'OSNR reçu pour la conversion de longueur d'onde FWM dégénérée du signal Nyquist 16-QAM. (b) BER mesuré par rapport à l'OSNR reçu pour la conversion de longueur d'onde FWM non dégénérée du signal Nyquist 16-QAM. Les encarts montrent les constellations des signaux B-to-B et les utilisateurs nouvellement convertis.

Luo et ses co-auteurs29 ont démontré expérimentalement que le graphène peut générer du FWM. Le graphène utilisé dans leur expérience a été préparé par la voie à base de solution. Ensuite, le graphène-polymère a été transféré sur la face d'extrémité de la fibre optique. Cependant, dans notre travail, le graphène monocouche a été développé par la méthode CVD, qui peut posséder une qualité supérieure à la voie basée sur la solution30. En fait, le graphène de haute qualité a également un seuil de dommage élevé. Pour le graphène exfolié mécaniquement de haute qualité22, aucun dommage significatif n'est observé même en appliquant une puissance d'entrée ultra élevée de 35 dBm (~ 3 W). Dans ce travail, le graphène monocouche est développé par la méthode CVD. Le graphène fabriqué et transféré est également de haute qualité. Dans l'expérience, nous n'observons pas les dommages du graphène (brûlé ou perforé) même si la puissance d'entrée atteint 33 dBm. Ainsi, le seuil d'endommagement de la fibre optique revêtue de graphène peut être ≥33 dBm. De plus, la qualité supérieure du graphène est très avantageuse pour les non-linéarités χ (3) plus importantes. Par conséquent, le dispositif optique non linéaire basé sur une section transversale de queue de cochon de fibre revêtue d'un graphène monocouche développé par CVD pourrait présenter des performances favorables dans des applications pratiques.

En raison de sa structure de bande linéaire qui permet des transitions optiques interbandes dans la gamme ultra large bande (dans la gamme infrarouge et visible), le graphène a été suggéré comme matériau pouvant présenter de grandes non-linéarités χ (3)17. Comme la réponse non linéaire du graphène est essentiellement sans dispersion sur la longueur d'onde et beaucoup plus forte que celle des semi-conducteurs en vrac, elle est naturellement adaptable au processus FWM. De plus, nous observons expérimentalement une amélioration maximale de 5,8 dB de l'efficacité de conversion dans le dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche, comme le montre la figure 3 (b). Le mécanisme d'amélioration peut être expliqué comme suit : pour un dispositif optique non linéaire assisté par du graphène, le coefficient de Kerr non linéaire effectif total est en fait les contributions combinées du graphène et du matériau du dispositif (par exemple, le silicium dans le guide d'ondes graphène-silicium, la silice dans la fibre revêtue de graphène ). Les coefficients de Kerr de la silice dans la fibre, le silicium et le graphène sont respectivement de ~10−20 m2/W, ~10−18 m2/W et ~10−11 m2/W31,32,33. La non-linéarité de troisième ordre du graphène est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle de la silice dans la fibre et le silicium, ce qui est dû à la structure de bande linéaire unique des électrons π17,22. Par conséquent, la non-linéarité effective combinée du dispositif optique non linéaire assisté par le graphène est augmentée et le graphène améliore le processus FWM. De plus, des travaux antérieurs ont démontré que la réponse non linéaire est sensible au nombre de couches de graphène17. Ainsi, il est possible d'améliorer encore la réponse FWM dégénérée et non dégénérée générée à partir de différentes couches de graphène en augmentant de manière appropriée le nombre de couches de graphène utilisées dans l'expérience.

Les phénomènes de FWM dégénéré et non dégénéré ont été mis en évidence dans les amplificateurs optiques à semi-conducteurs34 (SOA), les fibres hautement non linéaires35 (HNLF), les guides d'ondes en silicium36. Dans le processus de conversion de longueur d'onde FWM basée sur un guide d'ondes en silicium, l'absorption à deux photons (TPA) et la dispersion de longueur d'onde sont des facteurs importants qui doivent être pris en compte. L'absorption des porteurs libres induite par le TPA est forte à des puissances de pompe élevées. Le processus de déphasage non linéaire de l'automodulation de phase (SPM) et de la modulation de phase croisée (XPM) peut entraîner la détérioration du signal. La grande susceptibilité de troisième ordre χ (3) du graphène pourrait également donner lieu à des effets Kerr non linéaires tels que FWM, TPA, diffusion Raman stimulée (SRS), diffusion Brillouin stimulée (SBS), SPM et XPM. Ainsi, on peut se demander si les conversions de longueur d'onde transparentes et conjuguées en phase à base de graphène peuvent toujours se produire, en particulier pour les signaux de formats de modulation optique avancés, par exemple, Nyquist 16-QAM. On peut également se demander quelle est l'influence du XPM, SPM sur la qualité du signal (par exemple, la dégradation du rapport signal sur bruit) dans le processus de conversion de longueur d'onde FWM assistée par graphène du signal Nyquist 16-QAM. Des expériences antérieures sur le FWM amélioré dans des dispositifs optiques non linéaires assistés par graphène ont été démontrées avec des performances impressionnantes, telles que les travaux de CW Wong et YJ Rao18,20,21,37,38. Dans cet article, nous fabriquons un dispositif à fibre revêtu de graphène avec le graphène placé dans le connecteur de deux fibres, qui est entièrement compatible avec les systèmes de transmission à fibre optique existants. Nous démontrons expérimentalement la conversion de longueur d'onde conjuguée de phase par FWM dégénéré et la conversion de longueur d'onde transparente par FWM non dégénéré dans le graphène. Nous caractérisons également les performances de la conversion de longueur d'onde Nyquist 16-QAM en mesurant le BER en fonction de l'OSNR optique reçu. La réponse non linéaire à large bande, les grandes non-linéarités χ(3) et la compatibilité avec les systèmes de transmission à fibre optique existants pourraient permettre de nouvelles architectures pour les applications de traitement du signal optique.

Premièrement, le FWM dans le graphène qui est transféré mécaniquement sur la face d'extrémité de la fibre optique a été observé expérimentalement. La conversion de longueur d'onde basée sur FWM dégénéré/non dégénéré d'un signal de format de modulation avancé (par exemple, Nyquist 16-QAM) est davantage démontrée dans l'expérience. Deuxièmement, nous comparons en détail l'efficacité de conversion mesurée avec et sans graphène. La puissance de l'oisif converti sans graphène est inférieure d'environ 5,8 dB à celle avec du graphène. Nous clarifions également que l'efficacité de conversion améliorée provient principalement de la non-linéarité élevée du graphène. De plus, la longueur d'onde de la roue libre convertie peut être réglée de manière flexible en modifiant la longueur d'onde de la pompe et l'efficacité de conversion varie légèrement. Enfin, pour la conversion de longueur d'onde Nyquist 16-QAM à conjugaison de phase basée sur le FWM dégénéré, les pénalités OSNR observées sont d'environ 1, 1,4 et 1,4 dB à un BER de 1 × 10−3 avec le ralenti converti généré à 1547,71, 1546,12 et 1544,52 nm, respectivement. Pour la conversion Nyquist 16-QAM à longueur d'onde transparente basée sur un FWM non dégénéré, la pénalité d'OSNR observée est d'environ 1,6 dB à un BER de 1 × 10−3 avec la roue libre convertie générée à 1548,11 nm. On s'attend à ce que les dispositifs optiques non linéaires assistés par graphène trouvent des applications de traitement du signal optique plus intéressantes.

Pour fabriquer le dispositif optique non linéaire basé sur un graphène monocouche, comme le montre la figure 8, le graphène monocouche est d'abord développé sur une feuille de Cu par la méthode CVD39. Le film de poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) est ensuite déposé par centrifugation sur la surface de la feuille de Cu déposée de graphène et la feuille de Cu est gravée avec une solution de FeCl3 1 M. Ensuite, la feuille flottante de PMMA/graphène est transférée mécaniquement sur la section transversale de fibre de cochon et séchée dans une armoire. Après séchage à température ambiante pendant environ 24 heures, les atomes de carbone ont pu s'auto-assembler sur l'extrémité de la fibre grâce à la forte viscosité du graphène. La couche de PMMA est finalement retirée en faisant bouillir de l'acétone. En connectant ce composant graphène sur fibre avec un autre connecteur de fibre FC/PC propre et sec, le dispositif optique non linéaire est ainsi construit pour des applications de conversion de longueur d'onde basées sur FWM dégénéré/non dégénéré. Ici, la fibre est une fibre monomode standard et sert de renfort. La feuille de graphène développée est transférée sur du silicium sur insulteur (SOI) pour la caractérisation SEM, comme le montre la figure 9 (a). Le spectre Raman sélectionné est illustré à la figure 9 (b). De fortes bandes 2D et G sont observées, accompagnées d'une bande D faible, respectivement à 2698, 1582 et 1351 cm-1. Le rapport I2D/IG mesuré de 1,65 confirme la formation de graphène monocouche40. Les faibles rapports d'intensité de pic D à G ~ 0, 08 indiquent que le graphène formé sur un substrat SiO2 / Si est presque sans défaut41.

Processus de fabrication du dispositif optique non linéaire assisté par graphène.

( a ) Image SEM de graphène transférée sur silicium sur isolant (SOI). (b) Spectre Raman typique du graphène monocouche sur un substrat SiO2/Si (longueur d'onde d'excitation : 532 nm).

Comment citer cet article : Hu, X. et al. Conversions de longueur d'onde conjuguées et transparentes en phase des signaux Nyquist 16-QAM utilisant un dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche. Sci. Rep. 6, 22379; doi : 10.1038/srep22379 (2016).

Une correction à cet article a été publiée : https://doi.org/10.1038/s41598-021-99221-z

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Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (NSFC) dans le cadre des subventions 61222502 et 61077051, le programme pour les excellents talents du nouveau siècle à l'université (NCET-11-0182), le projet de plan scientifique et technologique de Wuhan dans le cadre de la subvention 2014070404010201, le Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales (HUST) dans le cadre des subventions 2012YQ008 et 2013ZZGH003 et du projet d'amorçage du Laboratoire national d'optoélectronique de Wuhan (WNLO). Les auteurs remercient l'ingénieur du Centre de micro-fabrication et de caractérisation (CMFC) de WNLO pour le soutien à la fabrication d'un dispositif à fibre revêtue de graphène et le soutien de l'installation du Centre de caractérisation et de dispositifs à l'échelle nanométrique de WNLO.

Laboratoire national d'optoélectronique de Wuhan, École d'information optique et électronique, Université des sciences et technologies de Huazhong, Wuhan, 430074, Hubei, Chine

Xiao Hu, Yun Long, Jun Liu et Jian Wang

Collège de chimie et de sciences moléculaires, Université de Wuhan, Wuhan, 430074, Hubei, Chine

Mengqi Zeng & Lei Fu

State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, Université de Pékin, 100871, Pékin, Chine

Yixiao Zhu, Kaiheng Zou et Fan Zhang

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JW a développé le concept et conçu les expériences. XH et MZ ont fabriqué le dispositif à fibre revêtue de graphène. XH, YL, JL, YZ et KZ ont réalisé les expériences. XH et JW ont analysé les données expérimentales. FZ et LF ont fourni des supports techniques. Tous les auteurs ont contribué à la rédaction et à la finalisation de l'article. JW a supervisé le projet.

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

Ce travail est sous licence internationale Creative Commons Attribution 4.0. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans la ligne de crédit ; si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons, les utilisateurs devront obtenir l'autorisation du titulaire de la licence pour reproduire le matériel. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Réimpressions et autorisations

Hu, X., Zeng, M., Long, Y. et al. Conversions de longueur d'onde conjuguées et transparentes en phase des signaux Nyquist 16-QAM utilisant un dispositif à fibre revêtue de graphène monocouche. Sci Rep 6, 22379 (2016). https://doi.org/10.1038/srep22379

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Reçu : 22 octobre 2015

Accepté : 08 février 2016

Publié: 02 mars 2016

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

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