CN102654715A - 基于微纳GaAs光学波导的全光调制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于微纳GaAs光学波导的全光调制装置，包括激光光源、光纤耦合器、微纳GaAs光学波导和滤波器，所述激光光源、光纤耦合器、微纳GaAs光学波导和滤波器通过光纤依次连接，应用本发明实现的全光调制信号具有较高的调制深度和消光比，而且调制速率高达数十Gb/s，可通过调节泵浦光强度和泵浦光-探测光之间频率失谐等方法来灵活控制被调制信号的调制深度和消光比等重要性能参数；本发明实现的全光调制技术可在集成光电子技术中用来有效缩小光学调制器件的模块尺度和提高调制速率与调制深度。

Description

基于微纳GaAs光学波导的全光调制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种全光调制技术，具体涉及一种基于微纳GaAs光学波导的全光调制装置及方法。

背景技术

基于各种光学材料和装置的全光调制方案被广泛开发应用，随着集成光电子技术的迅猛发展，人们更多的目光聚焦在利用具有高非线性光学效应的微纳光学介质波导来实现全光调制功能。目前，人们研究较多的是采用具有高非线性光学过程的微纳硅基光学波导中的双光子吸收效应来实现全光调制技术，但是由于硅介质中的双光子吸收过程并不很强，而且由双光子吸收过程所产生的自由载流子具有较长的恢复时间，因此导致硅基光学波导中的光学调制过程受到调制消光比和操作速率的限制。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种全光调制过程具有高达数十Gb/s的操作速率和极高的消光比的基于微纳GaAs光学波导的全光调制装置及方法。

技术方案：本发明所述的基于微纳GaAs光学波导的全光调制装置，包括激光光源、微纳GaAs光学波导、滤波器和频谱分析仪，所述激光光源、微纳GaAs光学波导、滤波器和频谱分析仪通过光纤依次连接。所述激光光源由泵浦脉冲激光光源和连续探测光激光光源组成，激光从所述激光光源输出通过2×1光纤耦合器耦合后进入微纳GaAs光学波导进行探测光波的全光调制，调制后的激光进入所述滤波器将泵浦光波过滤，剩余被调制的探测光通过1×2光纤耦合器进入频谱分析仪。

本发明采用以微纳GaAs光学波导为核心元件来实现高速率的全光调制技术。利用泵浦-探测结构，其中，泵浦光具有高强度的脉冲波形，探测光是具有较低强度的连续光波，在波导中，由于非简并双光子吸收过程，连续探测波将被泵浦脉冲反向调制，从而在波导末端获得被调制的光学信号，而且可通过调节入射泵浦光脉冲的强度和波导长度的方法来实现调制信号消光比(调制深度)的灵活控制。

为了对所述滤波器输出的调制信号进行动态检测，所述频谱分析仪包括光谱分析仪和脉冲时域分析仪，所述光谱分析仪和脉冲时域分析仪分别与所述1×2光纤耦合器的输出端相连接。

所述泵浦脉冲激光光源和连续探测光激光光源分别采用光纤锁模激光器和拉曼硅连续激光器产生。

为了对所述滤波器输出的调制信号进行动态检测，该装置还包括光谱分析仪、脉冲时域分析仪和1×2光纤耦合器，所述1×2光纤耦合器与滤波器的输出端连接，所述1×2光纤耦合器的输出端分别与所述光谱分析仪和脉冲时域分析仪相连接。

本发明基于微纳GaAs光学波导的全光调制方法：从泵浦脉冲激光光源和连续探测光激光光源发出泵浦光和探测光，共同通过2×1光纤耦合器耦合后进微纳GaAs光学波导；在所述微纳GaAs光学波导中，两束光波经非线性作用实现泵浦光和探测光的反向调制；在所述微纳GaAs光学波导的输出端，输出的光信号通过滤波器将泵浦光过滤掉，仅被调制的探测光通过滤波器后作为调制光信号被输出。所述滤波器输出的调制光信号又将经过1×2耦合器分别进入光谱分析仪和光脉冲时域分析仪。

所述微纳GaAs光学波导的长度为1mm，调制速率在10～100Gb/s之间，调制深度大于90％。

本发明的工作原理可描述为：当中心载波波长在1550nm附件的强泵浦脉冲和低功率连续探测光波从激光源输出后，通过非球面透镜耦合进核心元件GaAs波导，在波导中，光波与光波之间以及光波与波导之间强发生强烈的非线性互作用过程，相应的非线性作用可通过以下理论模型来进行描述：

$\frac{\∂A_p}{\∂z}=-\frac{\mathrm{\α}}{2}{A}_p-\frac{\mathrm{\β}}{2A_{\mathrm{eff}}}{\left|A_p\right|}^2{A}_p-\frac{\mathrm{\β}}{A_{\mathrm{eff}}}{\left|A_s\right|}^2{A}_p$

$+\mathrm{i\γ}{\left|A_p\right|}^2{A}_p+2\mathrm{i\γ}{\left|A_s\right|}^2{A}_p-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}N}{2}{A}_p+i\frac{\mathrm{\ω}{\mathrm{\σ}}_{r}N}{c}{A}_p---\left(1\right)$

$\frac{\∂A_s}{\∂z}=-\frac{\mathrm{\α}}{2}{A}_s-\frac{\mathrm{\β}}{2A_{\mathrm{eff}}}{\left|A_s\right|}^2{A}_s-\frac{\mathrm{\β}}{A_{\mathrm{eff}}}{\left|A_p\right|}^2{A}_s$

$+\mathrm{i\γ}{\left|A_s\right|}^2{A}_s+2\mathrm{i\γ}{\left|A_p\right|}^2{A}_s-\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}}N}{2}{A}_s+i\frac{\mathrm{\ω}{\mathrm{\σ}}_{r}N}{c}{A}_s---\left(2\right)$

在式(1)和(2)中，下标p和s分别表示泵浦光和探测光，A表示脉冲的慢变振幅，z是脉冲在光学波导中的传输距离，α是光学波导的线性损耗系数，β是双光子吸收系数，A_eff是光场的有效截面积，γ表示非线性系数，σ_α和σ_r分别表示自由载流子吸收交叉截面和随自由载流子密度变化的折射率改变，N表示自由载流子密度，可表示为：

$\frac{\∂N}{\∂t}=\frac{\mathrm{\β}}{2\mathrm{\η\ω}{A}_{\mathrm{eff}}^2}{\left|A\right|}^4-\frac{N}{\mathrm{\τ}}---\left(3\right)$

在式(3)中，t表示时间，

表示减少的普朗克常数，τ表示自由载流子寿命。

和其它高非线性波导相比，GaAs介质具有十分强的双光子吸收系数和与之对应的自由载流子吸收常数以及较短的自由载流子复合时间，此光学特征也是本发明选用GaAs光学波导为核心元件来实现集成光电子技术中超快全光调制功能。详细的操作过程可描述为，用锁模光纤激光器和硅拉曼激光器作为激光源来产生高强度的泵浦脉冲和弱功率的连续光波，然后通过2×1光纤耦合器耦合进高非线性微纳GaAs光学波导，在波导中，高强度的泵浦脉冲和连续光波将发生非线性相互作用，其中，非简并双光子吸收过程将是实现全光调制现象的关键所在，即，在此过程中，一个光子来源于泵浦波，一个光子来源于探测波。由于泵浦脉冲具有很强的光强，在此非线性吸收过程中，连续探测光波与泵浦脉冲在时间交叠区域，连续探测光波的光子将迅速减少从而导致其相应的功率迅速衰减，并形成一个与泵浦脉冲反向的暗脉冲，结果实现了探测光波的全光调制，在波导输出端，滤波器将完全阻止泵浦光波通过，仅有被调制的探测光能通过1×2Y耦合器达到最后的光谱分析仪和脉冲时域分析仪进行调制信号的动态检测。在此调制过程中，可通过调节泵浦光强、泵浦光和探测光之间的频率失谐和波导长度等系统参量来实现最后调制信号的调制深度等重要物理参数的灵活控制。

所述光谱分析仪和光脉冲时域分析仪主要用来对输出调制信号的频谱特征(频谱宽度、啁啾和位相等)和时域特征(时域脉冲宽度、对称性和调制深度等)进行动态分析。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：(1)应用本发明实现的全光调制信号具有较高的调制深度和消光比，而且调制速率高达数十Gb/s，可通过调节泵浦光强度和泵浦光-探测光之间频率失谐等方法来灵活控制被调制信号的调制深度和消光比等重要性能参数；(2)本发明实现的全光调制技术可在集成光电子技术中用来有效缩小光学调制器件的模块尺度和提高调制速率与调制深度；(3)本发明方案所实现的超快全光调制技术可应用到飞速发展的高速集成全光通信网络领域中，从而缩小光学调制器件的模块尺度，克服了原来调制速率低和调制深度小等不足。

附图说明

图1为本发明的光路原理示意图。

图2为本发明实现的调制信号时域波形图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种基于微纳GaAs光学波导的全光调制装置，包括泵浦光激光光源1、连续探测光激光光源2、2×1光纤耦合器3、微纳GaAs光学波导4、滤波器5、1×2光纤耦合器6、频谱分析仪7和脉冲时域分析仪8，所述泵浦光激光光源1、连续探测光激光光源2分别通过光纤与2×1光纤耦合器3输入端连接，所述2×1光纤耦合器3、微纳GaAs光学波导4、滤波器5和1×2光纤耦合器6通过光纤依次连接，所述1×2光纤耦合器6的输出端分别通过光纤分别与频谱分析仪7和脉冲时域分析仪8相连接。光纤在熔融状态下拉制2×1光耦合器3，采用湿发化学腐蚀方法来制备性能优良的微纳GaAs光学波导4，GaAs波导的长度为1mm，调制速率在10～100Gb/s之间，调制深度大于90％。微纳GaAs光学波导在波长转换和全光调制技术领域都有很多潜在的应用。采用典型的光纤锁模激光器和拉曼硅连续激光器等来产生具有不同载波波长的强脉冲泵浦光和弱功率的连续光波。让从激光光源输出的光波通过光纤耦合器耦合进微纳GaAs光学波导进行非线性光学调制过程。

当载波波长位于常规通信波长区域的强脉冲泵浦和弱连续探测光波同时在微纳GaAs光学波导中传输时，由于微纳GaAs光学波导介质中具有极高的双光子吸收效应和较短的自由载流子寿命，两光波将通过非简并双光子吸收、自由载流子吸收等非线性吸收过程来发生非线性互作用，通过非线性吸收后，连续光波与泵浦脉冲在时间上相互交叠部分的能量将被吸收，从而实现调制信号的反向调制，即在均匀光强背景下有一凹陷的暗脉冲，调制信号的调制深度等特征可通过改变泵浦脉冲的特征来操控。当泵浦-探测光波从微纳GaAs光学波导输出后，经过滤波器，即可得到具有较高调制深度的全光调制过程。

具体工作过程为：泵浦光激光光源1和连续探测光激光光源2输出中心载波波长在1550nm附近的具有较高强度的超快泵浦脉冲和弱功率的连续探测脉冲；两束光波通过2×1光纤耦合器3耦合进微纳GaAs光学波导4，在光学波导中，由于GaAs光学波导介质中具有极高的双光子吸收效应和较短的自由载流子寿命，在强烈的非简并双光子吸收作用下，将导致弱连续探测光波被深深调制，在光学波导末端，滤波器5将阻止泵浦脉冲的输出，仅被调制的探测脉冲能通过滤波器5，从滤波器5输出的调制信号又将经过1×2光纤耦合器6分别进入光谱分析仪7和脉冲时域分析仪8进行动态检测，输出的光谱范围在1250nm-1650nm，光谱分辨带宽为0.05nm，动态范围＞70dB，波长精确度为±0.05nm。所获得的调制信号的时间持续和调制深度等光学特征可通过改变泵浦脉冲强度、宽度和两光波的频率失谐等参数的改变来灵活控制。通过改变泵浦脉冲强度、宽度和频率失谐来控制调制信号的特征，增强泵浦脉冲强度可以提高调制信号的调制深度；缩小泵浦脉冲的宽度可以提高信号的调制速率。

所产生的被调制光波如图2所示，所形成的光学波导的长度为1-5mm，调制信号的调制深度＞90％。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于微纳GaAs光学波导的全光调制装置，其特征在于，包括激光光源、微纳GaAs光学波导、滤波器和频谱分析仪，所述激光光源由泵浦脉冲激光光源和连续探测光激光光源组成，激光从所述激光光源输出通过2×1光纤耦合器耦合后进入微纳GaAs光学波导进行探测光波的全光调制，调制后的激光进入所述滤波器将泵浦光波过滤，剩余被调制的探测光通过1×2光纤耦合器进入频谱分析仪。

2.根据权利要求1所述的基于微纳GaAs光学波导的全光调制装置，其特征在于，所述频谱分析仪包括光谱分析仪和脉冲时域分析仪，所述光谱分析仪和脉冲时域分析仪分别与所述1×2光纤耦合器的输出端相连接。

3.根据权利要求1所述的基于微纳GaAs光学波导的全光调制装置，其特征在于，所述泵浦脉冲激光光源和连续探测光激光光源分别采用光纤锁模激光器和拉曼硅连续激光器产生。

4.一种基于微纳GaAs光学波导的全光调制方法，其特征在于，从泵浦脉冲激光光源和连续探测光激光光源发出泵浦光和探测光，共同通过2×1光纤耦合器耦合后进微纳GaAs光学波导；在所述微纳GaAs光学波导中，两束光波经非线性作用实现泵浦光和探测光的反向调制；在所述微纳GaAs光学波导的输出端，输出的光信号通过滤波器将泵浦光过滤掉，仅被调制的探测光通过滤波器后被输出，再经过1×2光纤耦合器后进入频谱分析仪进行调制信号的动态检测。

5.根据权利要求4所述的基于微纳GaAs光学波导的全光调制方法，其特征在于，所述频谱分析仪为光谱分析仪和光脉冲时域分析仪。

6.根据权利要求4所述的基于微纳GaAs光学波导的全光调制方法，其特征在于，所述微纳GaAs光学波导的长度为1mm，调制速率在10～100Gb/s之间，调制深度大于90％。

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