CN104317138A - 一种集成平面波导型超宽带全光波长转换的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成平面波导型超宽带全光波长转换的方法及装置。将信号光与两路激光器发出的泵浦光同时输入到集成平面波导经过四波混频产生两个转换光输出，在频域上将其中一路激光器发出的泵浦光设置在信号光波长附近以降低集成平面波导中四波混频效应的相位失配量，同时在集成平面波导的工作波长范围内，调节另一路激光器发出的泵浦光波长至波长转换所需的波段内，通过四波混频在所需波段获得转换效率稳定的转换光。由于第二路泵浦光可以在很大的波长范围内调节，因而该波长转换具有超宽带特性。本发明实现信号光的超宽带波长转换，具有波导色散不敏感的特性，可满足下一代的全光网络节点高速大容量信号处理的需要。

Description

一种集成平面波导型超宽带全光波长转换的方法及装置
技术领域
本发明涉及了一种波长转换的方法及装置，尤其是涉及属于光纤通信及全光信号处理领域的一种集成平面波导型超宽带全光波长转换的方法及装置。
背景技术
随着信息时代的发展，高速英特网接入、移动电话和通信设备的大量普及等，文字、语音、图像、视频等的信息交互传输日益频繁，人们对信息容量和带宽的需求迅速增长。为了能够以最小成本来最大限度传输信息量、满足不同的带宽需求，光通信系统正不断向高速、大容量、宽带、全光、长距离、低成本的方向迈进。在光路由网络中，每个信道都是用特定波长标识的，不同波长代表不同信道。为了提高各波长的使用效率同时避免网络阻塞，在网络节点处进行波长转换成为一种必然趋势。集成波导器件是光电子技术及应用的核心和关键，具有尺寸小、功能强、稳定、可靠性高、潜在成本低等突出优点，利用集成平面波导研制各类光通信器件从而大大减小通信节点的体积成为一个重要趋势。因而，发展集成型波长转换器件对于下一代光通信网络具有重要的现实意义。
实现全光波长转换的典型方法是利用非线性介质中的四波混频效应，通过信号光和泵浦光的相互作用，产生新频率的闲频光作为转换光信号。近年来，关于集成波导四波混频波长转换的研究主要集中在转换带宽和转换效率的提高上面。由于转换带宽直接决定了系统所能处理的信号容量，提高波长转换的转换带宽是一项迫切的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成平面波导型超宽带全光波长转换的方法及装置，用集成平面波导实现超宽带全光波长转换。
本发明采用的技术方案是：
一、一种集成平面波导型超宽带全光波长转换的方法：
将信号光与两路激光器发出的泵浦光同时输入到集成平面波导经过四波混频产生两个转换光输出，在频域上将其中一路激光器发出的泵浦光设置在信号光波长附近以降低集成平面波导中四波混频效应的相位失配量，同时在集成平面波导的工作波长范围内，调节另一路激光器发出的泵浦光的波长使得两个转换光的转换效率稳定，从而实现信号光的超宽带波长转换。
所述的两个转换光的转换效率稳定是指两个转换光的转换效率在超宽带范围内变化均小于3dB。
二、一种集成平面波导型超宽带全光波长转换的装置：
包括第一激光器、第一偏振控制器、信号源、电光调制器、第一光放大器、第一滤波器、波分复用器、集成平面波导、接收端模块、相位编码信号解调器、光电探测器、第二激光器、第二偏振控制器、第二光放大器、第二滤波器、第三激光器、第三偏振控制器、第三光放大器、第三滤波器和第四滤波器；第一激光器发出的信号光经第一偏振控制器偏振调节后输入到电光调制器中，电光调制器与信号源连接，电光调制器输出端依次经第一光放大器、第一滤波器后连接到波分复用器的第一输入端；第二激光器发出的第一路泵浦光经第二偏振控制器输入到第二光放大器中，第二光放大器输出端经第二滤波器连接到波分复用器的第二输入端；第三激光器发出的第二路泵浦光经第三偏振控制器输入到第三光放大器中，第三光放大器输出端经第三滤波器连接到波分复用器的第三输入端；波分复用器输出端输出的两路泵浦光和信号光同时入射到集成平面波导中经过四波混频产生两个转换光，集成平面波导的输出端经第四滤波器滤波与接收端模块连接。
所述的接收端模块采用光电探测器。
所述的接收端模块包括相位编码信号解调器和光电探测器，集成平面波导的输出端经第四滤波器滤波后再经相位编码信号解调器解调后与光电探测器连接。
本发明的有益效果是：
在频域上将其中一路激光器发出的泵浦光波长设置在信号光波长附近以降低集成平面波导中四波混频效应的相位失配量，同时在集成平面波导的工作波长范围内，调节另一路激光器发出的泵浦光波长，使得转换光的转换效率在超宽带范围内变化小于3dB，从而实现信号光的超宽带波长转换。并且，本发明方法具有波导色散不敏感的特性，可满足下一代的全光网络节点高速大容量信号处理的需要，可为下一代的全光网络节点信号处理提供参考。
附图说明
图1为本发明方法的原理示意图。
图2为本发明装置的连接结构示意图。
图3为本发明装置的一种接收端模块的结构示意图。
图4为本发明装置的另一种接收端模块的结构示意图。
图5为本发明实施例中两个转换光的转换效率随第二个泵浦光波长的变化关系。
图6为本发明实施例中测得的信号光、第一泵浦光以及不同波长处的第二泵浦光和转换光的光谱图。
图中：1为第一激光器，2为第一偏振控制器，3为信号源，4为电光调制器，5为第一光放大器，6为第一滤波器，7为波分复用器，8为集成平面波导，9为第四滤波器，10为接收端模块，11为第二激光器，12为第二偏振控制器，13为第二光放大器，14为第二滤波器，15为第三激光器，16为第三偏振控制器，17为第三光放大器，18为第三滤波器，19为光电探测器，20为相位编码信号解调器。
具体实施方式
本发明提出的集成平面波导型超宽带全光波长转换方法的原理示意图如图1所示。
本发明方法包括：将信号光与两路激光器发出的泵浦光同时输入到平面波导输出，在频域上将其中一路激光器发出的泵浦光(第一路泵浦光)放置在信号光附近，该第一路泵浦光的波长与信号光的波长之差根据激光器的线宽和所用系统的信道间隔确定，且该路激光器发出的泵浦光的波长与信号光的波长之差越小(例如0.8nm或者更小)，四波混频的相位失配量越小，能够获得的带宽越宽。根据集成平面波导的工作波长范围，调节另一路激光器发出的泵浦光(第二路泵浦光)的波长至转换光所需的波段，即可在所需波段获得转换光，由于相位失配量小，转换光的转换效率可以在超宽带范围内保持稳定(3dB以内)，从而实现信号光的超宽带波长转换。
假设第一路泵浦光P1放置在信号光S附近，第二路泵浦光P2放置在所需转换光的输出波段。在集成平面波导中，两个泵浦光和信号光发生两个四波混频过程，在第二泵浦光P2附近产生两个转换光，即第一个转换光I1和第二个转换光I2，两个转换光的频率分别为fI1＝fS+fP2-fP1和fI2＝fP1+fP2–fS，其中fS为信号光的频率，fP1为第一路泵浦光的频率，fP2为第二路泵浦光。两个转换光分别载有和信号光相同的数据，因而该方法具有两路波长转换输出的功能。由于第一个泵浦光和信号光的频率十分接近，假设其频率差为Δf，产生的两路转换光分居于第二个泵浦光两侧，并具有相同的频率差Δf。因而，不管转换光的频率大小和所用集成平面波导的尺寸，相邻光波之间的传播常数(包括信号光的传播常数βS、第一路泵浦光的传播常数βP1、两个转换光的传播常数βI1,I2和第二路泵浦光的传播常数βP2)近似相等，总可以将四波混频过程的相位失配量控制在较低的数值，亦即具有超宽的转换带宽。
如图2所示，本发明的波长转换装置包括第一激光器1、第一偏振控制器2、信号源3、电光调制器4、第一光放大器5、第一滤波器6、波分复用器7、集成平面波导8、接收端模块10、相位编码信号解调器20、光电探测器19、第二激光器11、第二偏振控制器12、第二光放大器13、第二滤波器14、第三激光器15、第三偏振控制器16、第三光放大器17、第三滤波器18和第四滤波器9。
第一激光器1、第一偏振控制器2、信号源3、电光调制器4、第一光放大器5和第一滤波器6组成信号光链路；第二连续光激光器11、第二偏振控制器12、第二光放大器13和第二滤波器14组成第一个泵浦光链路；第三连续光激光器15、第三偏振控制器16、第三光放大器17和第三滤波器18组成第二个泵浦光链路。
第一激光器1发出的信号光经第一偏振控制器2偏振调节后输入到电光调制器4中，电光调制器4与信号源3连接，电光调制器4输出端依次经第一光放大器5、第一滤波器6后连接到波分复用器7的第一输入端；第二激光器11发出的第一路泵浦光经第二偏振控制器12输入到第二光放大器13中，第二光放大器13输出端经第二滤波器14连接到波分复用器7的第二输入端；第三激光器15发出的第二路泵浦光经第三偏振控制器16输入到第三光放大器17中，第三光放大器17输出端经第三滤波器18连接到波分复用器7的第三输入端；波分复用器7输出端输出的两路泵浦光和信号光同时入射到集成平面波导8中经过四波混频产生两个转换光，集成平面波导8的输出端经第四滤波器9滤波后与接收端模块10连接。
如图3所示，当信号源3发出强度编码信号时，所述的接收端模块10采用光电探测器19，集成平面波导8的输出端经第四滤波器9滤波后与光电探测器19连接。
如图4所示，当信号源3发出相位编码信号时，所述的接收端模块10包括相位编码信号解调器20和光电探测器19，集成平面波导8的输出端经第四滤波器9滤波后再经相位编码信号解调器20解调后与光电探测器19连接。
在本发明中，激光器可选择通信波段的各种激光器，电光调制器、偏振控制器、光放大器、滤波器、解调器、光电探测器均可选用各种商业元器件。
本发明装置的信号光由第一激光器1提供，信号经过电光调制器4加载，经第一光放大器5放大、第一光滤波器6滤波；第一个泵浦光由第二激光器11提供，该激光器具有可调谐性能，用于改变其出射波长靠近信号光，经过第二光放大器13放大并通过第二滤波器14滤波，提升其有效功率。第二个泵浦光由第三激光器15提供，该激光器也具有可调谐性能，用于改变其出射波长进行扫描，经过第三光放大器17放大并通过第三滤波器18滤波，提升其有效功率。信号光和两个泵浦光通过波分复用器7合并后入射到集成平面波导8中发生四波混频，产生两个转换光，通过第四滤波器9滤出转换光，进行信号接收。
对于接收端模块，如图3，接收端仅有一个光电探测器19，用于强度编码信号的接收检测；如图4中，接收端由相位码解调器20和光电探测器19构成，用于相位编码信号的接收检测。选择哪种接收端取决于信号源3发出的信号编码类型。
本发明的实施例：
本发明以四个不同的硅基集成平面波导尺寸300×500nm2、300×650nm2、285×650nm2和3×3μm2为例进行仿真，波导长度为17mm，波导的线性损耗为0.7cm-1，双光子吸收系数为0.8cm/GW，自由载流子寿命为2ns，硅的非线性折射率系数为9×10-18m2/W，两路泵浦光的光强均为100mW/μm2，信号光的光强为10mW/μm2，信号光S波长为1542.94nm，控制第一路泵浦光与信号光的波长差为0.8nm，第一个泵浦光P1波长为1543.73nm，通过扫描第二路泵浦光P2波长得到的两路转换光的转换效率变化关系分别如图5(a)和(b)所示。从图中可以看出，通过控制，，两个转换光的带宽特性极为相似。
对于这四个波导，3dB带宽分别为630nm、604nm、535nm和558nm，均具有超宽带特性。由于这四个波导具有不同的尺寸和不同的色散曲线，因而可以看出本发明方法是色散不敏感的。
利用上述中的17mm长、3×3μm2截面的硅基集成平面波导，按照上述实验装置进行实际测量，信号光波长为1542.83nm，第一个泵浦光波长为1543.64nm，这两个光波的光谱图如图6(a)所示。将第二个泵浦光分别放置于1560nm、1595nm、1630nm，产生的转换光光强几乎不发生变化，结果依次如图6(b)-(d)所示。由此，通过该实验结果可以验证本发明方法的超宽带特性，具有显著的技术效果。

Claims (5)

1. 一种集成平面波导型超宽带全光波长转换的方法，其特征在于包括：将信号光与两路激光器发出的泵浦光同时输入到集成平面波导经过四波混频产生两个转换光输出，在频域上将其中一路激光器发出的泵浦光设置在信号光波长附近以降低集成平面波导中四波混频效应的相位失配量，同时在集成平面波导的工作波长范围内，调节另一路激光器发出的泵浦光的波长使得两个转换光的转换效率稳定，从而实现信号光的超宽带波长转换。
2. 根据权利要求1一种集成平面波导型超宽带全光波长转换的方法，其特征在于：所述的两个转换光的转换效率稳定是指两个转换光的转换效率在超宽带范围内变化均小于3dB。
3. 用于实施权利要求1～2任一所述方法的一种集成平面波导型超宽带全光波长转换的装置，其特征在于：包括第一激光器（1）、第一偏振控制器（2）、信号源（3）、电光调制器（4）、第一光放大器（5）、第一滤波器（6）、波分复用器（7）、集成平面波导（8）、接收端模块（10）、相位编码信号解调器（20）、光电探测器（19）、第二激光器（11）、第二偏振控制器（12）、第二光放大器（13）、第二滤波器（14）、第三激光器（15）、第三偏振控制器（16）、第三光放大器（17）、第三滤波器（18）和第四滤波器（9）；第一激光器（1）发出的信号光经第一偏振控制器（2）偏振调节后输入到电光调制器（4）中，电光调制器（4）与信号源（3）连接，电光调制器（4）输出端依次经第一光放大器（5）、第一滤波器（6）后连接到波分复用器（7）的第一输入端；第二激光器（11）发出的第一路泵浦光经第二偏振控制器（12）输入到第二光放大器（13）中，第二光放大器（13）输出端经第二滤波器（14）连接到波分复用器（7）的第二输入端；第三激光器（15）发出的第二路泵浦光经第三偏振控制器（16）输入到第三光放大器（17）中，第三光放大器（17）输出端经第三滤波器（18）连接到波分复用器（7）的第三输入端；波分复用器（7）输出端输出的两路泵浦光和信号光同时入射到集成平面波导（8）中经过四波混频产生两个转换光，集成平面波导（8）的输出端经第四滤波器（9）滤波与接收端模块（10）连接。
4. 根据权利要求3所述的一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的装置，其特征在于：所述的接收端模块（10）采用光电探测器（19）。
5. 根据权利要求3所述的一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的装置，其特征在于：所述的接收端模块（10）包括相位编码信号解调器（20）和光电探测器（19），集成平面波导（8）的输出端经第四滤波器（9）滤波后再经相位编码信号解调器（20）解调后与光电探测器（19）连接。
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