CN103399446A

CN103399446A - 基于弱光调控光孤子的全光波长转换器

Info

Publication number: CN103399446A
Application number: CN2013103264774A
Authority: CN
Inventors: 秦冠仕; 秦伟平; 刘来
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-07-30
Also published as: CN103399446B

Abstract

一种基于弱光调控光孤子的全光波长转换器，属于光通信技术领域。由飞秒脉冲光源、宽调谐信号源、耦合器、光放大器、光耦合器和高非线性光子晶体光纤组成；飞秒脉冲光源输出的飞秒光脉冲和宽调谐信号源输出的弱控制光经耦合器耦合后进入到光放大器中进行放大，并产生交叉增益调制效应，放大后的光经过光耦合器耦合到高非线性光子晶体光纤中产生光孤子。其原理是：由于交叉增益调制效应使得弱控制光在光放大器增益带宽内的不同波长处所获得的增益不同，因此改变了飞秒脉冲原有的峰值功率，而后将调节后的飞秒脉冲导入到一段高非线性光子晶体光纤中，产生波长可被连续调控的拉曼光孤子，实现1.5微米光纤通信波段向2微米大气通信波段的波长转换。

Description

基于弱光调控光孤子的全光波长转换器

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于弱光调控光孤子的全光波长转换器。

背景技术

中红外2微米波段是重要的大气通信窗口，尤其在军事领域有巨大的潜在应用价值。如何在现有的1.5微米光纤通信波段和2微米大气通信窗口之间实现波长转换，成为一个解决现有1.5微米光纤通信系统和2微米大气通信系统之间集成的关键因素。全光波长转换器是将多路波长相同的光信号用波长转换器转换成不同波长的光信号，复用在同一个根光纤中进行传输，再在信号接收端进行解复用后在不同的光纤上进行传输。传统的全光波长转换器的实现机理很多，其中基于半导体光放大器的交叉增益调制型(XGM)、交叉相位调制型(XPM)和四波混频型(CFWM)是现有粗波分复用和密集波分复用通信系统中实现波长转换的主要手段并且已经实用化和商业化。

传统的全光波长转换器虽然可以实现的波段已经很宽，但是它们的主要应用集中于1.5微米通信波段，很难覆盖到2微米波段。如果想把现有光纤通信系统的信号转换到2微米波段进行大气通信，利用现有的全光波长转换器件是无法实现的。随着高非线性光子晶体光纤的发展，新的基于高非线性光子晶体光纤的全光器件不断地被发明并应用于激光和光纤通信系统中。能否利用新型高非线性光子晶体光纤具有的高非线性、色散易于调控和易于集成等优点，实现现有1.5微米光纤通信波段向2微米大气通信波段的波长转换，是一项全新的技术挑战。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于弱光调控光孤子的波长转换方法实现一种全光纤集成的1.5微米光纤通信波段向2微米大气通信窗口的波长转换的全光波长转换器。该波长转换器具有全光集成、易于配置和操作等优点。其可转换的波长范围宽，可覆盖整个C-band，并且可以通过改变调制度的方式进行调节；还可以通过使用不同类型的光纤，实现高功率输出。

本发明所述的全光波长转换器由飞秒脉冲光源、宽调谐信号源（弱控制光）、耦合器、光放大器、光耦合器和高非线性光子晶体光纤组成。

图1为所述全光波长转换器的原理示意图。飞秒脉冲光源01输出的飞秒光脉冲和宽调谐信号源02输出的弱控制光经耦合器03耦合后进入到光放大器04中进行放大，放大后的光经过光耦合器05耦合到高非线性光子晶体光纤06中产生光孤子，从而实现1.5微米光纤通信波段向2微米大气通信波段的波长转换。

其中飞秒脉冲光源01可以是任何的可产生飞秒光脉冲的激光器，如输出不同波长（800nm、1064nm、1550nm等）的钛蓝宝石飞秒激光器或飞秒锁模光纤激光器；输出脉冲宽度可以是飞秒或亚皮秒量级；平均功率可以是μW、mW、W或者kW量级；重复频率可以是GHz、MHz、kHz或者几个Hz。宽调谐信号源02是宽调谐单频连续激光器，用来产生弱控制光，其功率范围在μW或mW量级；覆盖的波长范围要在光放大器的增益带宽之内，它可以是宽调谐的连续光信号，也可以是宽调谐的脉冲信号。耦合器03用来把飞秒光脉冲和弱控制光耦合进光放大器中。光放大器用来放大飞秒光脉冲和弱控制光并产生交叉增益调制效应，它可以是掺杂稀土元素的光纤放大器或半导体放大器等所有可产生交叉增益调制效应的光放大器，其放大范围可以是1μm附近、也可以是1.5μm附近或者2μm附近。光耦合器用来把经过光放大器放大后的光耦合到高非线性光子晶体光纤中，它可以是透镜耦合，也可以是光纤焊接或者对接等耦合方式。高非线性光子晶体光纤是产生光孤子的介质。它可以是石英光纤、碲酸盐光纤、铅硅酸盐光纤、氟化物光纤、硫化物光纤、硒化物光纤、氟碲酸盐光纤、铋酸盐光纤、硼硅酸盐光纤、蓝宝石光纤以及具有相应组分的光子晶体光纤或其它具有高非线性的光波导。其实现原理如下：当飞秒光脉冲和弱控制光被同时输入到光放大器后，由于交叉增益调制效应使得弱控制光在光放大器增益带宽内的不同波长处所获得的增益不同，因此改变了飞秒光脉冲的峰值功率，即，通过在增益带宽附近调节弱控制光的波长，可有效地调节飞秒光脉冲的峰值功率；而后，将调节后的飞秒光脉冲耦合到高非线性光子晶体光纤中，产生波长可被连续调控的拉曼光孤子，从而实现了弱光调控的全光波长转换。

附图说明

图1：全光波长转换器的原理示意图；

图2：实施例1中所述全光波长转换器的结构示意图；

图3：实施例1中所述EDFA结构图；

图4：实施例1中所述EDFA的增益谱；

图5：实施例1中所述在不同弱控制光功率下飞秒脉冲所获得的增益随泵浦光的变化曲线；

图6：实施例1中所述的高非线性碲酸盐光子晶体光纤的色散曲线，插图对应的光纤截面图；

图7：实施例1中所述弱控制光的功率为0.05mW时，调谐弱控制光波长从1520-1600nm，测得的弱控制光波长和光孤子波长的依赖关系曲线；

图8：实施例中弱控制光的功率为0.5mW时，调谐弱控制光波长从1520-1600nm，测得的弱控制光波长和光孤子波长的依赖关系曲线；

图9：实施例中弱控制光的功率为1.0mW时，调谐弱控制光波长从1520-1600nm，测得的弱控制光波长和光孤子波长的依赖关系曲线；

图10：实施例中弱控制光的功率为1.5mW时，调谐弱控制光波长从1520～1600nm，测得的弱控制光波长和光孤子波长的依赖关系曲线；

图11：实施例中弱控制光功率为1.5mW时，弱控制光的波长为1550nm且为脉冲信号。利用该全光波长转换器实现的从1550nm到1955nm的波长转换的示意图；

图12：实施例中当弱控制光功率为1.5mW且弱控制光和飞秒光脉冲的重复频率一致时，利用该全光波长转换器实现的从1550nm到1955nm的波长转换的示意图；

图13：实施例中该波长转换器应用在多路时分复用系统中的示意图；

图14：实施例中在多路时分复用系统中，把一路980nm的脉冲信号加载到EDFA上的示意图；

图15：实施例中在多路时分复用系统中，把一路980nm的脉冲信号加载到EDFA上，调节该路980nm脉冲信号与飞秒脉冲和控制光信号同步，可控制不同时隙的光孤子波长从1955nm（如图中虚线所示）移动到1974nm（如图中实线所示）；

图16：实施例中为当弱控制光功率为0.05mW时，可实现一路1550nm信号到两路反相孤子脉冲信号1940nm和1955nm的波长转换。

具体实施方式

本发明提供一种基于弱光调控光孤子的全光波长转换器。以下结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1：

本发明提供一种基于弱光调控光孤子的全光波长转换器，如图2所示，该系统包括飞秒脉冲光源11、宽调谐信号源12（弱控制光）、耦合器13、光放大器14、光耦合器15、高非线性光子晶体光纤16和光谱分析仪17组成。

当飞秒光脉冲和弱控制光被同时输入到光放大器14后，由于交叉增益调制效应使得弱控制光在光放大器增益带宽内的不同波长处所获得的增益不同，因此改变了飞秒光脉冲的峰值功率，即，通过在增益带宽附近调节弱控制光的波长，可有效地调节飞秒光脉冲的峰值功率；而后，将调节后的飞秒光脉冲耦合到高非线性光子晶体光纤中，产生波长可被连续调控的拉曼光孤子，从而实现了弱光调控的全光波长转换。

本实施例中所述飞秒脉冲光源为980nm半导体激光二级管泵浦的环形腔锁模光纤激光器[1]。该环形腔锁模激光器可以产生中心波长为1560nm的飞秒光脉冲，脉冲宽度为470fs，平均功率为0.2mW，重复频率为50MHz。

本实施例中所述宽调谐信号源（弱控制光）为宽调谐单频连续激光器，用于产生弱控制光。具体型号为Tunics Plus CL/WB，波长调谐范围为1490～1640nm，波长最小调谐步长0.001nm，最大输出功率13mW。

本实施例中所述耦合器为3dB耦合器，具体型号为WIC-2×2-1550-50/50-1，插入损耗为3.07dB。

本实施例中所述光放大器为一个自制的两级掺铒光纤放大器（EDFA），其增益带宽为41nm。其结构如图3所示该，放大器由980nm连续激光器21、980/1550nm波分复用器22、1m掺铒光纤23、光隔离器24、2m掺铒光纤25、1480/1550nm波分复用器26和1480nm拉曼激光器27组成。掺铒光纤的型号为ER80-8-125，其在1530nm处吸收为80dB/m，数值孔径NA为0.13；在1550nm处模场直径为9.5μm。其中一级泵浦为980nm连续激光器，二级泵浦为1480nm拉曼激光器。其增益谱如图4所示，此时的弱控制光的功率为0.05mW，一级泵浦980nm连续激光器泵浦功率为140mW，二级泵浦1480nm拉曼激光器泵浦功率为204mW，我们可以看到最大增益位置在1560nm处，最大增益为27.6dB，3dB带宽覆盖从1531～1572nm，在3dB带宽范围内可以实现有效的交叉增益调制，进而实现波长转换。图5为测得飞秒光脉冲增益随1480nm拉曼激光器功率的变化曲线，方块为不加弱控制光时的增益曲线。弱控制光的波长为1560nm，圆圈为弱控制光的光功率为0.05mW时的增益曲线，三角为弱控制光的光功率为0.17mW时的飞秒光脉冲所获得的增益，从图中我们可以看出，当加上弱控制光之后，飞秒光脉冲所获得的增益随弱控制光的功率的增大而减小。用交叉增益的方式可以有效控制飞秒光脉冲所获得的增益。该放大器具有较宽的增益带宽，而且增益平坦性较好，适宜实现宽带的交叉增益调制。

本实施例中所述的光耦合器为透镜耦合方式，具体型号为Newport F10B和FL40B40×0.47NA非球面透镜。

本实施例中所述高非线性光子晶体光纤为高非线性碲酸盐光子晶体光纤[2]。图6为本实施例中用到的高非线性碲酸盐光子晶体光纤的色散曲线，中间的插图为光纤的截面图。该高非线性碲酸盐光子晶体光纤的芯径为1.1微米，其包层由六个5.5 微米的空气孔组成。其在1560nm处的非线性系数为5700km^-1W^-1。其在1560nm处的色散为-720ps²km^-1。在本实施例中用到的光纤长度为20cm。该光纤具有很高的非线性，利用很短的光纤在较低的泵浦功率下即可产生孤子自频移，而且通过改变结构可以较容易调控其色散特性，是一种较为理想的非线性产生介质。

本实施例中还用到光谱分析仪17，对产生的光孤子的光谱进行测量。具体型号为Yokogawa AQ6375，波长测量范围1200～2400nm，最小分辨率0.05nm，灵敏度-70dBm。

本实施例中，进入EDFA中的1560nm的飞秒光脉冲平均功率为0.2mW和弱控制光功率为0.05mW。此时调谐弱控制光波长，由于在不同波长的增益不同，通过改变波长，可以改变飞秒光脉冲在EDFA中所获得的增益，从而可以改变光孤子的波长。如图7所示，此时调谐弱控制光波长从1545～1560nm可控制光孤子波长在1958～1883nm范围内移动，由于增益谱左右对称，调谐弱控制光波长从1560～1585nm也可控制光孤子波长在1883～1958nm范围内移动。其中在2115nm附近出现的为色散波，是由光孤子碰到第二个零色散波长所产生的。

如图8所示当把弱控制光功率提升到为0.5mW时，调谐弱控制光波长从1536～1560nm可控制光孤子波长在1958～1614nm范围内移动。同理，调谐弱控制光波长从1560～1584nm也可控制光孤子波长在1614～1958nm范围内移动。

如图9所示为固定弱控制光功率为1mW，调谐弱控制光波长从1532～1555nm可控制孤子波长在1945～1602nm范围内移动。同理，调谐弱控制光波长从1568～1588nm也可控制光孤子波长在1602～1926nm范围内移动。

如图10所示为固定弱控制光功率为1.5mW，调谐弱控制光波长从1530～1553nm可控制光孤子波长在1955～1604nm范围内移动，同理，调谐弱控制光波长从1570～1592nm也可控制光孤子波长在1604～1924nm范围内移动。

本实施例中，当弱控制光为脉冲信号时实现波长转换的时间序列如图11所示。为当弱控制光功率为1.5mW时，弱控制光的波长为1550nm且为脉冲信号，飞秒光脉冲的重复频率是弱控制光的8倍时利用该全光波长转换器实现的从1550nm到1955nm的波长转换的时间特性示意图。如图10可知，由于当1550nm弱控制光存在时，由于交叉增益调制效应，飞秒光脉冲的功率已经降到无法有效的产生拉曼光孤子，当脉冲信号为“0”时，飞秒光脉冲产生光孤子，此时光孤子脉冲为“1”；当弱控制光脉冲信号为“1”时，飞秒光脉冲不产生光孤子，此时光孤子脉冲为“0”。所以产生的1955nm的光孤子信号与1550nm弱控制光反相。我们同时可以看到在一个弱控制光脉冲周期里可以产生8个孤子脉冲。图12为当弱控制光功率为1.5mW且弱控制光和飞秒光脉冲的重复频率一致时，利用该全光波长转换器实现的从 1550nm到1955nm的波长转换的示意图。

本实施例中，当波长转换器应用在多路时分复用系统中的示意图如图13所示。当弱控制光为多路时分复用信号时，利用该波长转换器可实现多路时分复用。弱控制光功率为2mW时。四路弱控制光信号的波长依次为1540nm、1545nm、1550nm和1555nm。当四路信号按照不同的时隙输入到波长转换器中，四路信号可同时输出到一路信号中且孤子波长为1955nm。同时如果我们需要在不同时隙让孤子波长向更长的波长移动，还可以在泵浦上外加一路脉冲信号，如图14所示。我们在EDFA的任意一级上加载一路980nm脉冲激光18，可用来控制光孤子向长波长移动。在增加泵浦的时隙内，由于泵浦功率的增加，飞秒脉冲获得的峰值功率同时增加，产生的孤子将向更长波长移动。如图15所示，当外加一路980nm脉冲信号时，孤子波长从1955nm移动到1974nm。

本实施例中，该波长转换器可实现一路1550nm信号到两路相位相反的孤子脉冲信号1940nm和1955nm的波长转换。如图16所示，当弱控制光功率为0.05mW时，可实现一路1550nm信号到两路相位相反的孤子脉冲信号1940nm和1955nm的波长转换。当弱控制光的功率为0.05mW。有一路1550nm的脉冲信号输入到该波长转换器中，当弱控制光信号为“1”时，由图7可知，光孤子的波长在1940nm附近。当弱控制光信号为“0”时，光孤子的波长在1955nm附近。此时可实现同时输出两路孤子信号的输出。一路为1940nm的孤子信号另一路为1955nm的孤子信号，且两路信号的相位相反。该特性可用于幅度调制信号的解调。

上述实施例仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

参考文献

[1]田琪军，光纤中基于受激布里渊散射的脉冲压缩及超连续谱产生的研究[D],吉林省长春市前进大街2699号,吉林大学硕士学位论文学号：2009512074,2012年5月31日,P35-p38

[2]Optics Express VOL17,2009,12174-12182M.Liao,C.Chaudhari,G.Qin,X.Yan,T.Suzuki,Y.Ohishi:“Tellurite microstructure fibers with small hexagonal core for supercontinuum generation”。

Claims

1.一种全光波长转换器，其特征在于：由飞秒脉冲光源、宽调谐信号源、耦合器、光放大器、光耦合器和高非线性光子晶体光纤组成；飞秒脉冲光源输出的飞秒光脉冲和宽调谐信号源输出的弱控制光经耦合器耦合后进入到光放大器中进行放大，并产生交叉增益调制效应，放大后的光经过光耦合器耦合到高非线性光子晶体光纤中产生光孤子，从而实现1.5微米光纤通信波段向2微米大气通信波段的波长转换。

2.如权利要求1所述的一种全光波长转换器，其特征在于：飞秒脉冲光源为飞秒锁模光纤激光器或钛蓝宝石飞秒激光器。

3.如权利要求1所述的一种全光波长转换器，其特征在于：宽调谐信号源是宽调谐单频连续激光器，用来产生弱控制光，其功率范围为μW或mW量级。

4.如权利要求1所述的一种全光波长转换器，其特征在于：光放大器是掺杂稀土元素的光纤放大器或半导体放大器。

5.如权利要求1所述的一种全光波长转换器，其特征在于：光耦合器是透镜耦合、光纤焊接耦合或者对接耦合。

6.如权利要求1所述的一种全光波长转换器，其特征在于：高非线性光子晶体光纤是石英光纤、碲酸盐光纤、铅硅酸盐光纤、氟化物光纤、硫化物光纤、硒化物光纤、氟碲酸盐光纤、铋酸盐光纤、硼硅酸盐光纤或蓝宝石光纤。

7.如权利要求1所述的一种全光波长转换器，其特征在于：光放大器是掺铒光纤放大器，依次由980nm连续激光器、980/1550nm波分复用器、1m掺铒光纤、光隔离器、2m掺铒光纤、1480/1550nm波分复用器和1480nm拉曼激光器组成。