CN101303507A - 一种基于非线性光波导的全光波长转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性光波导的全光波长转换装置。该装置包括第一光耦合器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、PPLN光波导、光隔离器、第二光耦合器和泵浦光波长选择器，依次沿顺时针方向光路连接，构成内置PPLN光波导的环形腔激光器。第一光耦合器和第二光耦合器分别对外提供信号光输入端口和转换空闲光输出端口。非线性光波导为PPLN光波导。泵浦光波长选择器为双波长选择器或多波长选择器。信号光和环形腔内部激射产生的泵浦光在PPLN光波导中发生非线性相互作用产生转换空闲光，从而实现波长转换。本发明可以实现单信道－双信道、单信道－多信道(广播式)可调谐波长转换以及输入输出均可调谐的波长转换，转换功能灵活，装置结构紧凑易实现，成本低廉。

Description

一种基于非线性光波导的全光波长转换装置
技术领域
本发明涉及非线性光学混频技术领域和全光信号处理技术领域，具体涉及一种基于非线性光波导的全光波长转换装置。
背景技术
全光波长转换器能够将一个光波长所携带的信息完全复制到另一个光波长上，是未来密集波分复用(DWDM)光网络中不可缺少的关键器件。波长转换技术有助于实现波长再利用，有效进行动态路由选择，降低网络拥挤阻塞率，进而可以提高光网络的灵活性和可扩充性。目前常用的全光波长转换技术主要包括：交叉增益调制(XGM)、交叉相位调制(XPM)、非线性光学环形镜(NOLM)、激光器增益饱和效应、四波混频(FWM)、二阶非线性效应等等。在这些方案中，基于周期极化反转铌酸锂(PPLN)无源光波导二阶非线性效应的波长转换技术具有独特的优越性，其最大的特点是响应速度快以及波长转换过程的严格透明性，表现为与信号的比特率和调制格式无关，因而近年来正在受到各国科技工作者的高度重视。
目前国内外在基于PPLN光波导二阶非线性效应的波长转换方面已经开展了许多非常有意义的工作，主要包括基于直接差频(DFG)，基于级联倍频和差频(SHG+DFG)，基于级联和频与差频(SFG+DFG)等二阶以及级联二阶非线性效应的波长转换技术。DFG型波长转换由于泵浦光(0.77μm)和信号光(1.5μm)处于不同波段，因此难以同时实现泵浦光和信号光在光波导内的单模传输。SHG+DFG型波长转换解决了DFG型波长转换器遇到的困难，注入泵浦光和信号光同处于1.5μm波段，可以实现1.5μm波段的全光波长转换。尽管如此，由于在SHG+DFG过程中位于倍频(SHG)过程准相位匹配(QPM)波长处的泵浦光波长响应带宽非常窄(～0.3nm)，因此，对于固定输入的信号光，传统的SHG+DFG型波长转换器难以实现转换空闲光的可调谐输出，而可调谐的波长转换对于增强网络管理的灵活性又是非常重要的。SFG+DFG型波长转换可以同时解决DFG型和传统SHG+DFG型波长转换器所遇到的问题，一方面所有入射光均处于1.5μm波段，另一方面即使对于固定波长输入的信号光也可以方便地实现可调谐的波长转换。例如：2003年Y.H.Min等人在文章“Tunable all-opticalwavelength conversion of 5 ps pulses by cascaded sum-and differencefrequency generation(cSFG/DFG)in a Ti：PPLN waveguide，”in Proc.OpticalFiber Communications Conf.，vol.2，Mar.，23-28 2003，pp.767-768中，首次实验报道了基于SFG+DFG重复频率为10GHz、脉宽为5ps的脉冲信号光的可调谐波长转换。然而，在已经报道的SHG+DFG和SFG+DFG型波长转换方案中，需要使用昂贵的外腔激光器作为外界泵浦光源，特别是基于SFG+DFG的波长转换需要同时使用两个外界泵浦光源，这就大大增加了波长转换器的复杂性并提高了系统的成本。尽管C.Q.Xu等人在文章“Intracavity wavelength conversions employing a MgO-doped LiNbO3quasi-phase-matched waveguide and an erbium-doped fiber amplifier，”J.Opt.Soc.Amer.B，vol.20，No.10，pp.2142-2149，Oct.2003中，提出了基于SHG+DFG的腔内波长转换以节省一个外界泵浦光源，但由于泵浦光位于SHG过程的准相位匹配波长处因而无法实现可调谐的腔内波长转换。另外，基于SFG+DFG的腔内波长转换因为需要同时节省两个外界泵浦光源到目前为止还没有相关的研究报道。除此之外，已有的波长转换大都还停留在单信道-单信道的波长转换，对单信道-双信道的可调谐波长转换、单信道-多信道(“广播式”)的可调谐波长转换、以及多信道同时转换等方面的关注还比较少。鉴于此，如何对传统SHG+DFG型波长转换方案进行改进以实现可调谐功能，如何设计无需注入外界泵浦光的基于PPLN环形腔结构的多功能波长转换器(单信道-单信道、单信道-双信道、单信道-多信道可调谐波长转换以及多信道同时转换)将具有实际的研究应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于非线性光波导的全光波长转换装置，该装置具有结构简单、成本低、运行可靠和扩展性好的特点。
本发明提供的一种基于非线性光波导的全光波长转换装置，其特征在于：该装置包括沿顺时针方向依次光路连接的第一光耦合器、掺铒光纤放大器、偏振控制器、PPLN光波导、光隔离器、第二光耦合器和泵浦光波长选择器，构成环形腔激光器；非线性光波导为PPLN光波导。
其中第一光耦合器对进入的光波进行耦合，再经掺铒光纤放大器放大后通过偏振控制器对光波的偏振态进行调整，然后进入PPLN光波导；泵浦光由内置PPLN光波导的环形腔激光器内部激射产生，泵浦光在环形腔中沿顺时针方向依次传输，泵浦光波长由泵浦光波长选择器决定；PPLN光波导用于对信号光和环形腔激光器内部激射产生的泵浦光进行处理，使其发生非线性效应实现波长转换；光隔离器用于保证环形腔内光波沿顺时针方向单向传输，转换得到的转换空闲光从第二光耦合器输出。
本发明针对现有全光波长转换技术存在的不足，提供一种基于PPLN光波导环形腔结构的全光波长转换装置。该装置一方面充分利用PPLN光波导中的两种级联二阶非线性效应实现多种全光波长转换功能，大大提高了波长转换的灵活性；另一方面利用装置内部的环形腔激光器产生泵浦光，摆脱了以往对昂贵的外腔激光器作为外界泵浦光源的依靠，装置结构简单，容易实现，成本大大降低，而且运行可靠。具体而言，本发明与现有的波长转换技术和装置相比具有如下优点：
其一、基于PPLN二阶非线性效应的全光波长转换与基于半导体光放大器(SOA)交叉增益调制和交叉相位调制等的波长转换以及基于光纤四波混频的波长转换相比具有显著的优势。
(1)、相比于半导体光放大器，PPLN光波导是无源光波导，因此在波长转换过程中PPLN光波导自身不会引入自发辐射噪声的影响；
(2)、相比于光纤四波混频，PPLN具有更高的非线性系数有利于非线性效应的进行，而且PPLN光波导结构紧凑易于集成和模块化，性能可靠；
(3)、PPLN光波导中有倍频(SHG)、和频(SFG)、差频(DFG)等丰富的二阶非线性效应以及相互间的级联二阶非线性效应，如级联倍频和差频(SHG+DFG)以及级联和频与差频(SFG+DFG)，这些大大增加了基于PPLN光波导二阶非线性效应波长转换的可选择性；
(4)、基于PPLN光波导二阶非线性效应的波长转换还具有如下一些理想波长转换器的特点：
①超快的响应速度(fs量级)；
②与信号的比特率和调制格式无关；
③多波长同时转换和较宽的动态变换范围；
④光谱和啁啾反转可用于色散补偿；
⑤参量放大；
⑥转换过程无内部频率啁啾。
其中超快的响应速度和对信号比特率及调制格式无关的特性可以增强对40Gbit/s及以上速率的高速信号以及各种新型调制格式信号(如归零码RZ，载波抑制归零码CSRZ，差分相移键控码DPSK，光双二进制码ODB等)的处理能力，使得基于PPLN光波导二阶非线性效应的波长转换在未来高速全光信号处理技术中具有潜在的优势和应用前景。
其二、本发明利用的基于PPLN光波导的级联倍频和差频(SHG+DFG)二阶非线性效应以及级联和频与差频(SFG+DFG)二阶非线性效应在传统SHG+DFG和SFG+DFG基础上有所改进和提高。
(1)、继承了传统SHG+DFG和SFG+DFG的优点，注入泵浦光和信号光同处于1.5μm波段，克服了传统直接差频(DFG)二阶非线性效应由于泵浦光(0.77μm)和信号光(1.5μm)处于不同波段而难以同时在光波导内进行单模传输的困难；
(2)、传统SHG+DFG泵浦光位于倍频(SHG)过程的准相位匹配波长处，响应带宽非常窄(～0.3nm)，对于给定波长的信号光难以实现可调谐的波长转换。本发明利用的SHG+DFG对此进行了改进，将信号光置于SHG过程的准相位匹配波长处，对于固定输入的信号光，通过改变泵浦光波长实现了转换空闲光的可调谐输出。另外，通过增加泵浦光的数目，实现了固定输入信号光单信道-双信道以及单信道-多信道(“广播式”)的可调谐波长转换；
(3)、改进后的SHG+DFG虽然实现了可调谐的波长转换，但输入信号光的波长可调谐范围却变得很窄(～0.3nm)，利用SFG+DFG可以解决这个问题。通过使用两个泵浦光并适当调节其波长可以很方便地实现可变输入信号光的可调谐波长转换，输入信号光和输出转换空闲光均可以在很宽的范围内调谐(＞75nm)。本发明利用的SFG+DFG在此基础上通过增加泵浦光的数目，进一步实现了可变输入信号光单信道-多信道(“广播式”)的可调谐波长转换；
其三、本发明提出的基于PPLN环形腔的波长转换装置结构简单，容易实现，成本低廉，稳定性可靠。
(1)、无需昂贵的外腔激光器提供泵浦光，泵浦光由内置了PPLN光波导的环形腔激光器产生，通过灵活设计使用不同的泵浦光波长选择器可以方便地产生单泵浦光，双泵浦光以及多泵浦光从而实现形式丰富的多种波长转换功能，这样可以大大降低装置的复杂性和运行成本。例如，对于单信道-多信道(“广播式”)的波长转换，使用一个多波长选择器就可以省掉多个外腔激光器，这在未来密集波分复用光网络中具有潜在的推广应用价值。
(2)、环形腔激光器中内置的PPLN光波导和偏振控制器可以增加环形腔的偏振不均匀性，从而可以缓解掺铒光纤放大器的均匀加宽特性，另外在环形腔的波长选择器中使用可调光衰减器也可以平衡掺铒光纤放大器的增益竞争，这些对于环形腔激光器产生稳定的激射光进而保证波长转换过程的稳定性是非常有利的。
其四、本发明装置具有很好的可扩充性。
(1)、通过更换环形腔激光器中的泵浦光波长选择器，可以进一步实现输入信号光固定或者可变的单信道-三信道、单信道-四信道……等形式各样的可调谐波长转换；
(2)、环形腔激光器中的波长选择器件可以灵活改变。例如，对于多波长选择器，其中的梳妆滤波器除了使用法布里-珀罗(FP)标准具外还可以使用马赫-曾德尔延时干涉仪(MZ-DI)、保偏光纤环形镜(PMF-LM)等具有梳妆滤波功能的器件。
附图说明
图1是本发明全光波长转换装置的原理示意图；
图2是本发明全光波长转换装置的第一种结构示意图；
图3(a)(b)是两种单波长选择器件；
图4(a)(b)是两种双波长选择器件；
图5是多波长选择器件；
图6是本发明全光波长转换装置的第二种结构示意图；
图7是本发明全光波长转换装置的第三种结构示意图；
图8是基于级联倍频和差频(SHG+DFG)信号光固定可调谐波长转换的原理示意图：(a)单信道-单信道可调谐波长转换，(b)单信道-双信道可调谐波长转换，(c)单信道-多信道(“广播式”)可调谐波长转换。
图9是基于级联和频与差频(SFG+DFG)信号光可变可调谐波长转换的原理示意图；
图10是基于级联和频与差频(SHG+DFG)信号光可变单信道-多信道(“广播式”)可调谐波长转换的原理示意图；
图11是基于级联倍频和差频(SHG+DFG)多信道同时转换的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了无需外界注入泵浦光的基于PPLN环形腔结构的全光波长转换装置，其特征是在环形腔激光器中内置PPLN光波导，利用PPLN级联倍频和差频(SHG+DFG)以及级联和频与差频(SFG+DFG)两种级联二阶非线性效应实现多种全光波长转换功能。转换器的主体是基于PPLN环形腔的波长转换器，如图1所示，主要包括PPLN光波导1，波长选择器2以及掺铒光纤放大器3，依次连接构成内置PPLN光波导的环形腔激光器。环形腔内部的光路走向为顺时针方向。泵浦光由环形腔激光器内部激射产生，信号光与泵浦光在PPLN光波导中发生级联二阶非线性效应生成转换输出空闲光从而实现信号光到转换空闲光的波长转换。通过选择不同的波长转换机制以及改变环形腔激光器的具体内部组成结构可以实现多种功能的全光波长转换。
如图2所示，本发明装置包括沿顺时针方向依次光路连接的第一光耦合器4、掺铒光纤放大器3、偏振控制器5、PPLN光波导1、光隔离器6、第二光耦合器7和泵浦光波长选择器2，构成内置PPLN光波导的第一环形腔激光器。其中，第一光耦合器4和第二光耦合器7分别对外提供信号光输入端口和转换空闲光输出端口。
输入信号光经第一光耦合器4进入该装置内，经掺铒光纤放大器3放大后通过偏振控制器5对其偏振态进行调整，然后进入PPLN光波导1。泵浦光由内置PPLN光波导的第一环形腔激光器内部激射产生，泵浦光在环形腔中沿顺时针方向传输依次经过“掺铒光纤放大器3-偏振控制器5-PPLN光波导1-光隔离器6-第二光耦合器7-泵浦光波长选择器2-第一光耦合器4-掺铒光纤放大器3”，其中掺铒光纤放大器3提供泵浦光激射所需的增益，偏振控制器光5调整泵浦光的偏振态，光隔离器6保证环形腔内光波沿顺时针方向单向传输，泵浦光波长选择器2用于决定第一环形腔激光器产生的内部激射泵浦光的波长，它可以为单波长选择器2A、双波长选择器2B或多波长选择器2C。输入信号光和第一环形腔激光器内部激射产生的泵浦光进入PPLN光波导1后在其中发生非线性效应实现波长转换，转换得到的转换空闲光从第二光耦合器7输出。
基于图2所示发明装置，可以实现输入信号光固定，无需注入外界泵浦光的单信道-单信道、单信道-双信道以及单信道-多信道(“广播式”)的可调谐全光波长转换。其特征是在PPLN光波导1中信号光与泵浦光发生级联倍频和差频(SHG+DFG)二阶非线性效应：信号光波长位于PPLN光波导倍频(SHG)过程的准相位匹配波长处，信号光通过倍频(SHG)过程产生的倍频光同时与第一环形腔激光器内部激射产生的泵浦光发生差频(DFG)相互作用并生成转换空闲光，通过调节泵浦光波长可以改变转换空闲光的波长以实现可调谐输出。输入信号光固定且是单信道，输出转换空闲光的信道数目由泵浦光个数决定，根据环形腔中泵浦光波长选择器2使用的是单波长选择器2A、双波长选择器2B、还是多波长选择器2C可以相应得到单信道-单信道、单信道-双信道以及单信道-多信道(“广播式”)的可调谐波长转换。
基于图2所示发明装置，当其中的泵浦光波长选择器2使用的是双波长选择器2B时，还可以实现输入信号光可变，无需注入外界泵浦光的可调谐全光波长转换。其特征是在PPLN光波导1中信号光与两路泵浦光发生级联和频与差频(SFG+DFG)二阶非线性效应：信号光与第一环形腔激光器产生的第一路泵浦光通过和频(SFG)过程产生和频光，与此同时，第一环形腔激光器产生的第二路泵浦光与和频光发生差频(DFG)相互作用并生成转换空闲光，对于可变输入的信号光，通过适当改变两路泵浦光的波长可以实现转换空闲光的可调谐输出。
如图3(a)所示，单波长选择器2A由第一可调光衰减器8和第一可调谐滤波器9组成。光波在该单波长选择器中从右向左传输。第一可调谐滤波器9用以选择需要的波长，第一可调光衰减器8用以适当调节选中波长对应激射光在环形腔中的损耗进而控制激射光的光功率。第一可调光衰减器8和第一可调谐滤波器9的位置可以互换。
单波长选择器2A也可以采用如图3(b)所示的结构，它由光环形器10、可调光衰减器8以及光纤布拉格光栅(FBG)11组成。光波在该单波长选择器中从右向左传输时的光路走向依次为“光环形器10端口a-光环形器10端口b-第一可调光衰减器8-第一光纤布拉格光栅11-第一可调光衰减器8-光环形器10端口b-光环形器10端口c”。利用第一光纤布拉格光栅11的反射谱选择需要的波长，选用不同的光纤布拉格光栅可以得到不同的激射波长，第一可调光衰减器8用以适当调节选中波长对应激射光在环形腔中的损耗以控制激射光的光功率。
如图4(a)所示，双波长选择器2B由第一、第二可调光衰减器8，12、第一、第二可调谐滤波器9，13以及第三、第四光耦合器14，15组成。光波在该双波长选择器中从右向左传输时首先经过第三光耦合器14分成上下两路并行传输，上路先后经过第一可调光衰减器8和第一可调谐滤波器9，下路先后经过第二可调光衰减器12和第二可调谐滤波器13，上下两路光波然后经过第四光耦合器15耦合输出。第一、第二可调谐滤波器9，13分别用于决定环形腔激光器中两路激射光的波长，第一可调光衰减器8用于适当调节和控制第一可调谐滤波器9决定的激射光的光功率，第二可调光衰减器12用于适当调节和控制第二可调谐滤波器13决定的激射光的光功率。第一可调光衰减器8和第一可调谐滤波器9的位置可以互换，第二可调光衰减器12和第二可调谐滤波器13的位置可以互换。
双波长选择器2B也可以采用如图4(b)所示的结构，由光环形器10、第一、第二可调光衰减器8，12以及第一、第二光纤布拉格光栅11、16组成。光波在该双波长选择器中从右向左传输时的光路走向有两路。第一路为“光环形器10端口a-光环形器10端口b-第一可调光衰减器8-第一光纤布拉格光栅11-第一可调光衰减器8-光环形器10端口b-光环形器10端口c”，其中第一光纤布拉格光栅11的反射谱决定第一路激射光的波长，选用不同的第一光纤布拉格光栅11可以改变第一路激射光的波长，第一可调光衰减器8用于调节和控制第一路激射光的光功率；第二路为“光环形器10端口a-光环形器10端口b-第一可调光衰减器8-第一光纤布拉格光栅11-第二可调光衰减器12-第二光纤布拉格光栅16-第二可调光衰减器12-第一光纤布拉格光栅11-第一可调光衰减器8-光环形器10端口b-光环形器10端口c”，其中第二光纤布拉格光栅16的反射谱决定第二路激射光的波长，选用不同的第二光纤布拉格光栅16可以改变第二路激射光的波长，第一、第二可调光衰减器8，12用于调节和控制第二路激射光的光功率。
值得注意的是，图4(a)(b)中的第一、第二可调光衰减器8，12可以增加环腔内两路激射光波损耗的不均匀性，从而可以减弱掺铒光纤放大器的均匀加宽特性，另外环腔中的偏振控制器和PPLN光波导等偏振器件的使用也会引入不均匀性，这些可以保证获得稳定的双波长激射，因此对于增强波长转换过程的稳定性是非常有益的。
如图5所示，多波长选择器2C由掺铒光纤放大器17、带通滤波器18以及法布里-珀罗(FP)标准具19组成。光波在该多波长选择器中从右向左传输。法布里-珀罗(FP)标准具19相当于一个梳状滤波器，与带通滤波器18连接后构成了多波长选择器的主体。多波长激射的波长间距由法布里-珀罗(FP)标准具19决定，而激射波长的数目则取决于带通滤波器18的带宽。带通滤波器18和法布里-珀罗(FP)标准具19的位置可以互换。掺铒光纤放大器17为环形腔内部的多波长激射提供增益。
如图6所示，当要实现输入信号光可变，无需注入外界泵浦光单信道-多信道(“广播式”)的可调谐波长转换时，本发明装置在图2基础上增设多波长选择器20以构成内置PPLN光波导的双环腔激光器。增设的第二环形腔激光器沿逆时针方向由第一光耦合器4、掺铒光纤放大器3、偏振控制器5、PPLN光波导1、光隔离器6、第二光耦合器7和多波长选择器20依次光路连接而成，其中的多波长选择器20用以产生多路泵浦光，其结构与多波长选择器2C的结构相同。第一环形腔激光器的结构与图2相同，光路走向为顺时针方向，不过其中的泵浦光波长选择器2为单波长选择器2A。
输入信号光经第一光耦合器4进入该装置内。两个环形腔激光器分别激射一路和多路泵浦光，掺铒光纤放大器3提供增益，光隔离器6保证两环形腔激光器中光路的单向传输。信号光和两环形腔激光器内部激射产生的泵浦光经掺铒光纤放大器3放大并经偏振控制器5调整偏振态后进入PPLN光波导1，在其中发生非线性效应实现波长转换，转换得到的转换空闲光从第二光耦合器7输出。
基于图6所示发明装置，可以实现输入信号光可变，无需注入外界泵浦光的单信道-多信道(“广播式”)的可调谐全光波长转换。其特征是在PPLN光波导1中信号光与泵浦光发生级联和频与差频(SFG+DFG)二阶非线性效应：信号光与第一环形腔激光器产生的单个泵浦光通过和频(SFG)过程产生和频光，与此同时，增设的第二环形腔激光器产生的多路泵浦光与和频光发生差频(DFG)相互作用从而生成多路转换空闲光，对于可变输入的单信道信号光，通过适当改变第一、第二环形腔激光器的激射泵浦光波长可以实现多信道转换空闲光的可调谐输出，即输入信号光可变的单信道-多信道(“广播式”)可调谐波长转换。
如图7所示，当要实现无需注入外界泵浦光的多信道同时转换的全光波长转换时，本发明装置与图6一样，也是在图2基础上增设多波长选择器20以构成内置PPLN光波导的双环腔激光器。与图6不同的时，图7中没有外界输入信号光。图6中多波长选择器20产生的多路激射光为多路泵浦光，图7中多波长选择器20产生的多路激射光看作是多路信号光。基于图7发明装置可以实现无需注入外界泵浦光的多信道同时转换，其特征是在PPLN光波导1中泵浦光与多路信号光发生级联倍频和差频(SHG+DFG)二阶非线性效应：第一环形腔激光器产生的单个泵浦光位于PPLN光波导倍频(SHG)过程的准相位匹配波长处，泵浦光通过倍频(SHG)过程产生的倍频光同时与第二环形腔激光器产生的多路信号光发生差频(DFG)相互作用并生成多路转换空闲光由第二光耦合器7输出。信号光为多信道，转换空闲光也为多信道且数目与信号光相等，即实现了多信道的同时转换。
下面分别对本发明装置的工作原理作进一步详细的说明。
一、基于PPLN环形腔信号光固定的单信道-单信道、单信道-双信道以及单信道-多信道(“广播式”)可调谐波长转换
1、波长转换原理
1.1、单信道-单信道
如图8(a)所示，基于级联倍频和差频(SHG+DFG)二阶非线性效应：信号光21位于PPLN光波导倍频(SHG)过程的准相位匹配波长处，信号光21经过倍频(SHG)过程生成倍频光22，与此同时，泵浦光23与倍频光22发生差频(DFG)相互作用得到转换空闲光24。根据能量守恒定理，信号光21、倍频光22、泵浦光23以及转换空闲光24的波长满足如下关系式：
SHG：1/λSH＝2/λS
DFG：1/λi＝1/λSH-1/λP    (1)
SHG+DFG：1/λi＝2/λS-1/λP
1.2、单信道-双信道
如图8(b)所示，基本原理与单信道-单信道波长转换相同，即基于SHG+DFG：信号光21位于PPLN光波导倍频(SHG)过程的准相位匹配波长处，信号光21通过倍频(SHG)过程生成的倍频光22同时与两路泵浦光23，25发生差频(DFG)相互作用，从而生成两路转换空闲光24，26。输入信号光只有一路，输出转换空闲光变为两路，因此对应单信道-双信道的波长转换。根据能量守恒定理，信号光21、倍频光22、两路泵浦光23，25以及两路转换空闲光24，26的波长满足如下关系式：
SHG：1/λSH＝2/λS
DFG：1/λi1＝1/λSH-1/λP1
SHG+DFG：1/λi1＝2/λS-1/λP1    (2)
DFG：1/λi2＝1/λSH-1/λP2
SHG+DFG：1/λi2＝2/λS-1/λP2
1.3、单信道-多信道(“广播式”)
如图8(c)所示，基本原理与单信道-单信道以及单信道-双信道波长转换相同，即基于SHG+DFG：信号光21位于PPLN光波导倍频(SHG)过程的准相位匹配波长处，信号光21通过倍频(SHG)过程生成倍频光22，同时多路泵浦光27与倍频光22发生差频(DFG)相互作用，从而生成多路转换空闲光28。输入信号光只有一路，输出转换空闲光变为多路，即实现了单信道-多信道(“广播式”)的波长转换。根据能量守恒定理，信号光21、倍频光22、多路泵浦光27以及多路转换空闲光28的波长满足如下关系式：
SHG：1/λSH＝2/λS
DFG：1/λi1＝1/λSH-1/λP1
SHG+DFG：1/λi1＝2/λS-1/λP1
......                                 (3)
......
......
DFG：1/λin＝1/λSH-1/λPn
SHG+DFG：1/λin＝2/λS-1/λPn
2、波长转换可调谐原理
根据PPLN光波导中SHG+DFG过程的内禀特性，处于倍频(SHG)过程准相位匹配波长处的光波可调谐范围非常窄，传统的基于SHG+DFG的波长转换方案泵浦光位于准相位匹配波长处，虽然输入信号光波长可以在较宽的范围内改变，但对于固定输入的信号光却难以实现可调谐的波长转换。本发明将信号光置于准相位匹配波长处，根据式(1)，对于给定的信号光波长，通过改变泵浦光波长就可以方便地实现单信道-单信道的可调谐波长转换；根据式(2)，对于固定波长的输入信号光，通过调节两路泵浦光波长可以方便地实现单信道-双信道的可调谐波长转换；根据式(3)，对于给定的信号光波长，通过改变多路泵浦光波长就可以很容易地实现单信道-多信道的可调谐波长转换。
二、基于PPLN环形腔信号光可变的可调谐波长转换
1、波长转换原理
如图9所示，基于级联和频与差频(SFG+DFG)二阶非线性效应：需要两个泵浦光23，25参与。对于可变输入的信号光21，调节第一个泵浦光23波长使其与信号光21波长满足或近似满足和频(SFG)过程的准相位匹配条件，此时第一个泵浦光23和信号光21的波长近似关于倍频(SHG)过程准相位匹配波长对称，信号光21和第一个泵浦光23通过和频(SFG)过程生成和频光29，与此同时，第二个泵浦光25与和频光29发生差频(DFG)相互作用得到转换空闲光30。根据能量守恒定理，信号光21、第一个泵浦光23、和频光29、第二个泵浦光25以及转换空闲光30的波长满足如下关系式：
SFG：1/λSF＝1/λS+1/λP1
DFG：1/λi＝1/λSF-1/λP2    (4)
SFG+DFG：1/λi＝1/λS+1/λP1-1/λP2
2、波长转换可调谐原理
对于基于SHG+DFG信号光固定的可调谐波长转换，由于信号光位于倍频(SHG)过程的准相位匹配波长处，因此信号光波长的可变范围非常小(3dB带宽～0.3nm)。相比之下，对于基于SFG+DFG的波长转换，当信号光21波长改变时，只要通过适当调节第一个泵浦光23的波长以保持和频光29的波长不变，从而满足或近似满足和频(SFG)过程的准相位匹配条件，信号光21波长可以在非常宽(3dB带宽＞75nm)的波长范围内变化。根据式(4)，当保持和频光29波长不变时，第一个泵浦光23的波长由输入信号光21波长决定，转换空闲光30波长则由第二个泵浦光25波长决定。通过适当调节两个泵浦光23，25的波长可以非常方便地实现可变输入信号光到可变输出转换空闲光的可调谐波长转换。
三、基于PPLN环形腔信号光可变的单信道-多信道(“广播式”)可调谐波长转换
1、波长转换原理
如图10所示，基本原理与信号光可变的可调谐波长转换相同，即基于级联和频与差频(SFG+DFG)二阶非线性效应：单信道-n信道的波长转换需要n+1路泵浦光23，31的参与。对于可变输入信号光21，调节第一路泵浦光23的波长使其与信号光21波长满足或近似满足和频(SFG)过程的准相位匹配条件，此时第一路泵浦光23和信号光21的波长近似关于倍频(SHG)过程准相位匹配波长对称，信号光21和第一路泵浦光23通过和频(SFG)过程生成的和频光29同时与另外n路泵浦光31发生差频(DFG)相互作用从而得到n路转换空闲光32。根据能量守恒定理，信号光21、第一路泵浦光23、和频光29、另外n路泵浦光31以及n路转换空闲光32的波长满足如下关系式：
SFG：1/λSF＝1/λS+1/λP0
DFG：1/λi1＝1/λSF-1/λP1
SFG+DFG：1/λi1＝1/λS+1/λP0-1/λP1
......                                   (5)
......
......
DFG：1/λin＝1/λSF-1/λPn
SFG+DFG：1/λin＝1/λS+1/λP0-1/λPn
2、波长转换可调谐原理
类似于基于SFG+DFG信号光可变的可调谐波长转换，根据式(5)，对于给定的信号光波长，当保持和频光29波长不变时，第一路泵浦光23波长由输入信号光21波长决定，n路转换空闲光32波长相应的由n路泵浦光31波长决定。通过适当调节第一路泵浦光23和另外n路泵浦光31的波长就可以很容易地实现信号光可变的单信道-多信道(“广播式”)可调谐波长转换。
四、基于PPLN环形腔多信道同时转换
1、波长转换原理
如图11所示，基于级联倍频和差频(SHG+DFG)二阶非线性效应：泵浦光23位于倍频(SHG)过程的准相位匹配波长处，泵浦光23经过倍频(SHG)过程生成倍频光33，与此同时，n路信号光34与倍频光33发生差频(DFG)相互作用得到相应的n路转换空闲光35，即实现了多信道的同时波长转换。根据能量守恒定理，泵浦光23、倍频光33、n路信号光34以及n路转换空闲光35的波长满足如下关系式：
SHG：1/λSH＝2/λP
DFG：1/λi1＝1/λSH-1/λS1
SHG+DFG：1/λi1＝2/λP-1/λS1
......                                          (6)
......
......
DFG：1/λin＝1/λSH-1/λSn
SHG+DFG：1/λin＝2/λP-1/λSn
总之，本发明装置可以灵活实现无需注入外界泵浦光的多种全光波长转换功能，特别是单信道-双信道以及单信道-多信道(“广播式”)的可调谐全光波长转换，这些对于推动全光波长转换新技术新装置的发展具有重要的意义。

Claims (1)

1、一种基于非线性光波导的全光波长转换装置，其特征在于：该装置包括沿顺时针方向依次光路连接的第一光耦合器(4)、掺铒光纤放大器(3)、偏振控制器(5)、PPLN光波导(1)、光隔离器(6)、第二光耦合器(7)和泵浦光波长选择器(2)，构成环形腔激光器；
外界信号光经第一光耦合器(4)注入装置内，第一光耦合器(4)对进入的光波进行耦合，再经掺铒光纤放大器(3)放大后通过偏振控制器(5)对光波的偏振态进行调整，然后进入PPLN光波导(1)；泵浦光由内置PPLN光波导的环形腔激光器内部激射产生，泵浦光在环形腔中沿顺时针方向传输，泵浦光波长由泵浦光波长选择器(2)决定；PPLN光波导(1)用于对信号光和环形腔激光器内部激射产生的泵浦光进行处理，使其发生非线性效应实现波长转换；光隔离器(6)用于保证环形腔内光波沿顺时针方向单向传输，转换得到的转换空闲光从第二光耦合器(7)输出；
泵浦光波长选择器(2)采用下述三种结构中的一种：
泵浦光波长选择器(2)的第一种结构为：第一可调光衰减器(8)和第一可调谐滤波器(9)相连形成支路，第二可调光衰减器(12)和第二可调谐滤波器(13)相连形成另一支路，这二条支路并行连接后分别与第三、第四光耦合器(14、15)相连，第三、第四光耦合器(14、15)的另一端分别与第二、第一光耦合器(7、4)相连；
泵浦光波长选择器(2)的第二种结构为：第一可变光衰减器(8)、第一光纤布拉格光栅(11)、第二可变光衰减器(12)、第二光纤布拉格光栅(16)依次串行连接后由第一可变光衰减器(8)与光环形器(10)的端口b连接；光环形器(10)的端口a、c分别与第二、第一光耦合器(7、4)相连；
泵浦光波长选择器(2)的第三种结构为：它包括掺铒光纤放大器(17)、带通滤波器(18)和法布里-珀罗标准具(19)；掺铒光纤放大器(17)的输入端作为泵浦光波长选择器(2)的输入端与第二光耦合器(7)相连，掺铒光纤放大器(17)的输出端与带通滤波器(18)或法布里-珀罗标准具(19)相连，泵浦光波长选择器(2)的输出端与第一光耦合器(4)相连。
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