CN101162343A - 基于级联非线性的全光强度均衡器件和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可应用于数字空间或光纤光通信系统的实现全光强度均衡的器件和方法。该器件使用具有二阶非线性光学特性的光学材料，利用级联非线性效应所导致的非线性相移，实现光强度相关的光相位调制，并利用起偏器、检偏器以及相位补偿器等部件实现输出光强度变化，并通过设定一定的相位延迟关系，实现对输入光强度变化的均衡，获得具有较相近的光强分布的输出信号。

Description

基于级联非线性的全光强度均衡器件和方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种用于对具有较强的光强波动的数字光信号进行全光功率均衡的方法。

背景技术

在自由空间激光通信系统中，光波在大气等空间介质中传播。而大气中，温度、气流、气溶胶等分布的不均匀性及其随机波动，造成其光学折射率在空间上存在着明显的随机分布且随时间随机变化，从而产生湍流效应。对于在大气中传输的光信号，在通过上述随机大气介质时，光束不同空间位置上的相位会受到随机影响，从而导致其强度、相位以及传播方向等参数随着湍流情况的变化而随机起伏变化。对于中长距离的自由空间光通信系统而言，由于接收机的光学接收天线的口径一般都要远小于传输后的光束的尺寸，因此接收到的光功率将随着光束在该位置上的光强分布的随机变化而发生强烈的变化。湍流效应的最终结果是以接收端光强在平均接收光功率附近随机起伏的形式，使得探测信号忽大忽小，加剧了信号偏离平均值的程度，对于目前采用的强度检测系统会严重干扰其正常工作，给信号的正确判别造成了很大困难。因此，通过对接收信号进行强度均衡来降低光强的随机起伏对于降低误码率和系统中断概率，提高自由空间光通信质量就显得尤为重要。

在光纤通信系统中，虽然一般情况下，光纤信道比较稳定，但系统中的有源器件，如光纤放大器等，在动态网络中，随着信道负载等的变化，可以发生增益及输出功率的瞬时变化。各元件的偏振相关损耗也可以在偏振态的随机变化的影响下产生光信号的损耗的随机变化。这些因素同样会造成接收到的光信号的功率的随时间的快速变化。这样，不仅信号的信噪比可能受到不利影响，光接收机在进行阈值判决时的阈值选取也会受到影响，使得系统误码率劣化。目前采用的功率均衡控制技术通过光电变换器件监控光信号的功率并以电子信号处理方式计算并控制无源或有源器件的衰减或增益来人为地反馈控制光功率在一定的范围内。该方法不仅系统复杂，而且反馈速度有限，不能适应复杂系统中不同扰动造成的功率变化的要求。采用基于光学非线性效应的全光信息处理技术则可能对信号的光功率实现自动、实时的均衡。

当光波在非线性介质中传播时，介质会产生非线性极化，导致光波与物质之间的非线性作用，高强度的激光所导致的非线性作用更为显著，这种与光强有关的光学效应，成为非线性光学效应。目前，非线性光学效应的研究主要涉及二阶非线性效应和三阶非线性效应，但是一般情况下，导致三阶非线性效应的三阶非线性极化率比二阶非线性极化率要小7-8个数量级，因此其效果极其微弱，需要非常大的光功率或在非常长的距离上才能显现一定作用，极大地制约了三级非线性光学效应在全光信息处理方面的应用范围。而经研究，级联的二阶非线性过程可产生与三阶非线性有相似的效应，其等效的三阶非线性极化率比材料的本征三阶非线性极化率高2～3个数量级，因此，使用级联非线性对光信号进行全光信号处理具有所需光功率低、所需器件尺寸小等优点。

具有二阶非线性的光学材料，如KTP、周期性畴反转铌酸锂(PPLN)等均可实现级联非线性效应。在1962年，通过二阶非线性效应能够产生级联非线性折射率在理论上被首次提出。1992年，R.Schiek等通过实验使用二阶非线性晶体KTP的级联非线性效应实现了自聚焦和自散焦[Opt.Lett.17，pp.28-30]。1993年，M.I.Sundeimer等使用KTP以波导的形式实现了非线性相位调制[Opt.Lett.18，pp.1397-1399]。波导相比于晶体而言，具有更高的非线性效率和作用距离，从而可以实现更大的非线性折射率变化。此后，基于人造的非线性材料，如周期性畴反转铌酸锂晶体，的级联非线性效应被广泛研究。级联非线性效应已被用于全光开关和调制器件，但用于全光功率均衡的器件结构尚未见报道。

级联非线性效应产生于倍频效应(SHG)时的相位失配。当二倍频效应发生时，麦克斯韦方程组可写作：

$\frac{{\mathrm{dE}}_2}{{\mathrm{dz}}^{\′}}=-i\frac{\mathrm{\ω}}{{2\mathrm{cn}}_{2\mathrm{\ω}}}{\mathrm{\χ}}^{\left(2\right)}(2\mathrm{\ω};\mathrm{\ω},\mathrm{\ω})E_1{E}_1\exp \left(\mathrm{i\Δ}{\mathrm{kz}}^{\′}\right)---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{dE}}_1}{{\mathrm{dz}}^{\′}}=-i\frac{\mathrm{\ω}}{{4\mathrm{cn}}_{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{\χ}}^{\left(2\right)}(\mathrm{\ω};2\mathrm{\ω},-\mathrm{\ω})E_2{E}_1^{*}\exp (-\mathrm{i\Δ}{\mathrm{kz}}^{\′})---\left(2\right)$

其中E₁和E₂分别为基频光场和倍频光场，x⁽²⁾(2ω；ω，ω)和x⁽²⁾(ω；2ω，-ω)为二阶非线性极化率，c为光速，ω为角频率，n_ω和n_2ω分别为基频光和倍频光的折射率，波矢失配Δk＝k_2ω-2k_ω。存在损耗的情况下，使用Manley-Rowe关系，x⁽²⁾(ω；2ω，-ω)＝2x^(2)*(2ω；ω，ω)，为了简化方程(1)和(2)，定义

$\mathrm{\Γ}=\frac{{\mathrm{\ωd}}_{\mathrm{eff}}\left|E_0\right|}{c\sqrt{n_{2\mathrm{\ω}}{n}_{\mathrm{\ω}}}}---\left(3\right)$

其中d_eff＝|x⁽²⁾(2ω；ω，ω)|/2，E₀为输入光场，假设输入没有倍频光，输入基频光幅度为E₀，得到

$\frac{d^2{E}_1}{{\mathrm{dz}}^{\′2}}+\mathrm{i\Δk}\frac{{\mathrm{dE}}_1}{{\mathrm{dz}}^{\′}}-{\mathrm{\Γ}}^2(1-2|E_1/E_0{|}^2)E_1=0---\left(4\right)$

在相位完全匹配时(Δk＝0)，可以由方程(4)求得E₁＝E₀sech(ΓL)，L为材料的长度。现在我们关心的是相位不完全匹配时的解，在倍频转换效率很低时，E₁≌E₀，对于z’而言，E₁(z′)＝|E₀|×exp[-iΔφ^NL(z′)]，从方程(4)中得出，在输出端z’＝L，加在光束上的非线性相移为：

${\mathrm{\Δ\φ}}^{\mathrm{NL}}\≅\frac{\mathrm{\ΔkL}}{2}\{1-[1+(2\mathrm{\Γ}/\mathrm{\Δk}{)}^2{]}^{1/2}\}---\left(5\right)$

对于较大的相位失配或者较低的入射光强I，|Δk|》＞＞|Γ|，非线性相移和入射光强I呈近似线性关系，这种效应近似于光克尔效应。

${\mathrm{\Δ\φ}}^{\mathrm{NL}}\≅-\frac{{\mathrm{\Γ}}^2{L}^2}{\mathrm{\ΔkL}}---\left(6\right)$

光克尔效应表达为n＝n₀+n₂I，我们引入有效非线性折射率n₂ ^eff，则Δφ^NL＝-(2πL/λ)n₂ ^effI，其中

${n_2}^{\mathrm{eff}}=-\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{c\ϵ}}_0}\frac{L}{\mathrm{\λ}}\frac{{d_{\mathrm{eff}}}^2}{n_{2\mathrm{\ω}}{n_{\mathrm{\ω}}}^2}\frac{1}{\mathrm{\ΔkL}}---\left(7\right)$

由此可见，利用级联非线性折射率，通过控制相位匹配条件k，使得二阶非线性光学材料具有类似于三阶非线性材料的特性，从而制作成全光开关以及全光调制器等。

发明内容

本发明的目的是提供一种可应用于数字光通信系统的基于级联非线性效应的全光强度均衡器件和均衡方法。

一方面，本发明提供了一种基于级联非线性效应的全光光强度均衡器件(如图1所示)，包括：偏振控制器件1，用于调整信号光偏振态，使其为线偏振且偏振方向和入射面接近45度；起偏器2，其偏振方向和入射面为45度，用于保证输入到非线性光学材料上的光信号具有功率相同的s和p的两个偏振分量；输入透镜3，用于将信号光聚焦/耦合入非线性光学材料；非线性光学材料4，具有二阶非线性，用于产生级联非线性效应和相应的非线性折射率；输出透镜5，用于信号光的耦合输出；光学相位延迟/补偿器6，用来调节经过上述路径后的s和p偏振光的相对相位差ψ_sp；检偏器7，与起偏器的偏振方向垂直。

上述均衡器件中，偏振控制器件的作用为调整输入光偏振态，使其为线偏振且偏振方向和入射面接近45度，保证输入光以最小的损耗通过起偏器。

上述均衡器件中，起偏器的作用为保证输入到非线性光学材料上的输入光具有功率相同的s和p的两个偏振分量。

上述均衡器件中，对于非线性光学材料为块材时，输入透镜的作用为将输入光束聚焦以提高光功率密度，从而获得更强的非线性效应。对于非线性光学材料为波导时，输入透镜的作用为将输入光束聚焦并有效地耦合到非线性波导中。

上述均衡器件中，输出透镜的作用为将经过非线性光学材料的光重新准直或耦合输出。

上述均衡器件中，二阶非线性光学材料应在输入光及其倍频光所在波长范围内损耗很小。

上述均衡器件中，二阶非线性光学材料可选择KDP，KTP，PPLN等非线性晶体或其相应材料制成的波导结构，以及二阶聚合物非线性光学材料或其波导。并采用I类匹配方式。

上述均衡器件中，二阶非线性光学材料的主要作用为对输入的s或p光中的某一个特定偏振分量(如s光)可以通过级联非线性效应所致非线性折射率，即在不同的光强度下产生不同的非线性光相位调制。对于该波长的该偏振分量，非线性光学材料的相位匹配条件设置为接近但不满足其二倍频的相位匹配条件。而对于另一个偏振分量(如p光)则远离其二倍频的相位匹配条件不产生级联非线性效应。

上述均衡器件中，光学相位延迟/补偿器的作用为调节s和p两个不同偏振态上的光在经过上述光学材料和器件等后到达检偏器时的相对相位差。该光学相位延迟/补偿器可选择光延迟器，Soleil-Babinet(S-B)补偿器等实现。

上述均衡器件中，检偏器的作用为将相互垂直的s和p两个偏振分量的光合为一路输出，并发生干涉，从而产生由于两光相位不同而造成的强度变化。

又一方面，本发明提供了一种上述采用全光均衡器的均衡方法，包括以下步骤：

(1)调整起偏器角度，保证输入光通过后其s光和p光分量的功率相同；调整偏振控制器件使得通过起偏器的总功率最大；

(2)调整检偏器角度，使其与起偏器偏振方向垂直；

(3)调整偏振控制器件，使输入光以最小的损耗通过起偏器；

(4)调整输入、输出耦合透镜，使输入光进入非线性光学材料，且能准直输出；

(5)根据非线性材料的特性和输入光的波长等条件，调整非线性材料在该输入波长的相位匹配特性，使其略偏离相位匹配点，且对应的Δk能够产生较大的级联非线性；

(6)根据输入光的平均光功率和级联非线性的大小，调谐光学相位补偿器的角度以获得合适的相位差，使得在所需的输入平均光功率附近的输出功率的变化斜率最小化。；

上述均衡方法中，非线性晶体的相位匹配特性可通过改变晶体角度、温度等传统调节相位匹配方式进行调节。

本发明具有以下优点：

1、本发明涉及的器件和方法可实现对数字光通信信号的全光强度均衡，实现对输入信号功率的自动调节。由于采用全光技术，不需要传统均衡技术所需的反馈和主动控制系统。

2、本发明涉及的器件和方法利用的非线性效应的响应速度极快，因此可以对输入光信号的快速功率变化进行实时补偿。既可以对自由空间光通信中的慢变功率变化进行补偿，也可以对光纤通信系统中的快速功率抖动进行补偿。克服传统电子控制的光功率控制系统响应速度较慢且不灵活的缺点。

3、本发明涉及的器件和方法可以在较大的输入功率范围内实现光强度的均衡，因此对于自由空间光通信中较大的光强起伏，有很好的抑制作用。

4、本发明涉及的器件和方法中利用二阶非线性材料的级联非线性效应代替三阶非线性光学效应，可以获得较后者高出数个数量级的非线性效果，从而可以大大降低所需的光功率要求并缩小器件尺寸，实现可集成化的低功率器件，具有更强的可行性和可实现性。

5、本发明涉及的器件和方法中利用同一光路中的两个偏振分量进行干涉的方式，避免了传统的马赫一增德尔干涉结构中需要分路、合波以及稳定、精确控制两路延迟差等复杂要求，使得系统结构简单、稳定、易于集成。

6、本发明涉及的器件和方法中通过采用了光学相位延迟/补偿器可以设置s光和p光的光路线性相位差，可以人为调节强度均衡器的工作点，可使同一个物理器件适用于更多的不同工作状况。

附图说明

图1是全光强度均衡器的结构图。其中，1为偏振控制器件，2为起偏器，3为输入透镜，4为非线性光学材料，5为输出透镜，6为光学相位延迟/补偿器，7为检偏器。

图2是输入平均光强与线性相位差的关系曲线

图3是全光强度均衡器的输出光强与输入光强的关系曲线

图4是具有功率起伏的全光强度均衡器的输入信号的眼图

图5是经全光强度均衡器均衡后的输出信号的眼图

具体实施方式

图1的均衡器件中，包括偏振控制器件、起偏器、输入透镜、二阶非线性光学材料、输出透镜、补偿器、检偏器。强度起伏的输入光准直入射，经过均衡器件后输出。

假设输入光经过起偏器后，光强度I_IN＝2εE₀ ²，其中E₀为s光和p光的振幅，ε为空气的介电常数，ε≈1，则s光和p光的复振幅如公式(8)所示

$\left\{\begin{array}{c}{E}_p=E_0{e}^{\mathrm{i\ωt}}\\ E_s=E_0{e}^{\mathrm{i\ωt}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中ω为光场频率，经过非线性晶体和S-B补偿器后

$\left\{\begin{array}{c}{E}_p=E_0{e}^{\mathrm{i\ωt}}\\ E_s=E_0{e}^{\mathrm{i\ωt}}{e}^{i{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{NL}}+{\mathrm{i\ψ}}_{\mathrm{sp}}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中ψ_NL为光经过晶体时由于级联非线性所导致的相位变化，ψ_sp＝ψ_p-ψ_s为相位延迟/补偿器以及晶体内部双折射所导致的s光和p光的线性位相差。经过检偏器后，相位差被转换为强度变化，输出光的复振幅为

$E=\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_0{e}^{\mathrm{i\ωt}}(1-e^{i{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{NL}}+{\mathrm{i\ψ}}_{\mathrm{sp}}})---\left(10\right)$

对应的光强为

$I_{\mathrm{OUT}}=|\mathrm{\ϵ}\stackrel{\→}{E}\·\stackrel{\→}{E}|=\mathrm{\ϵ}{\mathrm{EE}}^{*}=2\mathrm{\ϵ}{E}_0^2{\sin }^2\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{NL}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sp}}}{2}=I_{\mathrm{IN}}{\sin }^2\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{NL}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sp}}}{2}---\left(11\right)$

对于具有级联非线性的晶体，

ψ_NL＝2πn₂ ^effLSI_IN/λ    (12)

其中L为信号光在晶体/波导中传输的作用长度，S为信号光的作用面积，n₂ ^eff为其等效非线性折射率。

在本例中选用L＝6cm，S＝40μm²的PPLN波导，输入光波长λ＝1.55μm，则L/λ＝3.9*10⁴，d_eff＝16.5pm/V，n_2ω≈n_ω≈2.1，对比[0pt.Lett.18，pp.13-15]中非线性材料的各系数以及公式(7)，可以得到n₂ ^eff＝1.6*10^-11cm²/W。

当输入光的瞬时功率在其平均光强I_IN附近抖动时，为了使其实现较好的均衡，应该设置相位补偿器的角度，使输出功率-输入功率曲线中I_IN附近的输出功率的变化斜率最小。即满足方程dI_OUT/dI_IN＝0，整理后得到

$\tan \frac{I_{\mathrm{IN}}\·\frac{{{2\mathrm{\πn}}_2}^{\mathrm{eff}}L}{\mathrm{S\λ}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sp}}}{2}+I_{\mathrm{IN}}\·\frac{2\mathrm{\π}{n_2}^{\mathrm{eff}}L}{\mathrm{S\λ}}=0---\left(13\right)$

解在一定I_IN下，关于线性相位差ψ_sp的超越方程(13)，并取ψ_sp距原点最近的解。由此可以通过设定并改变I_IN，解得相应的ψ_sp得到如图2所示的输入平均光强与线性相位差的关系曲线。

根据图2曲线，可得到对应输入光(可经过前端光放大)的峰值功率(对‘1’比特)为20mW时，满足式(13)的线性相位差为1.82π。若根据此值，相应地调整补偿器的设置角度，此时输出光强与输入光强的关系曲线如图3所示。由图3可以看出，在输入功率＜5mW时，输出功率近似线性变化。随着输入功率的增加，输出功率的变化斜率逐渐减小，当输入功率为20mW时，斜率为0。斜率越小，对应相同的输入功率变化，其输出功率变化越小，即均衡效果越好，因此在20mW附近均衡效果较好。若输入功率在10mW-20mW范围内变化，输出功率仅从0.57mW变化到0.73mW，即当输入功率有67％的起伏时，其输出功率起伏为25％。因此该均衡器件对于大幅度的光强起伏，可以起到很好的抑制作用。上述过程中该均衡器件带来的信号衰减可以方便地利用成熟的线性光放大器技术得到补偿。

在数字光通信中，眼图的张开程度是系统性能的一种度量。将眼图如图4所示的数字光信号输入该均衡器件，从图中可以看出，其峰值功率在14.8mW-19.5mW之间变化，起伏为39％，经过均衡器均衡后，输出光眼图如图5所示，此时峰值功率在0.69-0.73mW之间变化，起伏为6％。从均衡前后眼图的对比可以看出，均衡器件对于“1”比特上的强度起伏可以实现很好的抑制，进而增大了眼图张开度，将可以有效地降低系统误码率。

Claims (10)

1.一种可实现全光强度均衡的器件，包括偏振控制器件、起偏器、输入透镜、二阶非线性光学材料、输出透镜、光学相位延迟/补偿器和检偏器。

2.根据权利要求1所述的均衡器件，其特征在于，偏振控制器件调整输入光偏振态，使其为线偏振且偏振方向和入射面接近45度，保证信号光以最小的损耗通过起偏器。

3.根据权利要求1所述的均衡器件，其特征在于，起偏器保证透过相同功率的s光和p光。

4.根据权利要求1所述的均衡器件，其特征在于，光学相位延迟/补偿器调节通过晶体后s和p偏振光的相对线性相位差。

5.根据权利要求1所述的均衡器件，其特征在于，输入透镜用于将入射光会聚到非线性材料上或耦合到非线性波导中。

6.根据权利要求1所述的均衡器件，其特征在于，检偏器角度和起偏器相垂直。

7.根据权利要求1所述的均衡器件，其特征在于，二阶非线性光学材料对两个偏振方向上的一个，且仅一个，信号分量可以通过级联非线性效应所致非线性折射率，在不同的光强度下产生不同的光相位偏移。

8.根据权利要求1所述的均衡器件，其特征在于，二阶非线性光学材料可选择KDP，KTP，PPLN等非线性晶体或其相应材料制成的波导结构，以及聚合物二阶非线性光学材料或其波导。

9.一种基于权利要求1所述均衡器件的均衡方法，包括以下步骤：

(1)调整起偏器角度，保证输入光通过后其s光和p光分量的功率相同；

(2)调整检偏器角度，使其与起偏器偏振方向垂直；

(3)调整偏振控制器件，使输入光以最小的损耗通过起偏器；

(4)调整输入、输出耦合透镜，使输入光进入非线性光学材料，且能准直输出；

(5)调整非线性晶体的相位匹配特性，使其能够产生级联非线性；

(6)调谐光学相位补偿器的补偿量，使得在所需的输入平均功率附近的输出功率的变化斜率最小化。

10.根据权利要求9所述均衡方法，其特征在于，非线性晶体的相位匹配特性可通过改变晶体角度、温度等进行调节。

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