CN105404071B - 一种输出无色的宽光谱全光波长转换的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽光谱全光波长转换的方法及装置，该方法对转换波导的输出端的目标光波长λi进行实时检测，λi发生改变时，根据固定的信号光波长λs0，计算此时泵浦源的波长λp并相应调整，然后将信号光和泵浦光依次通过耦合器、放大器、偏振控制器和具有平坦且低色散的转换波导。装置包括泵浦源、信号源、耦合器、放大器、偏振控制器和转换波导，泵浦源和信号源的输出端分别与耦合器输入端信号连接，耦合器的输出端依次通过放大器、偏振控制器和转换波导；信号源和转换波导的输出端之间依次连接有波长计和运算器，共同构成反馈环。本发明可以实现输出无色、宽光谱的全光波长转换，对泵浦无敏感性，大幅度增加此全光波长转换器的应用范围，降低成本。

Description

一种输出无色的宽光谱全光波长转换的方法及装置
技术领域
本发明属于全光信号处理领域，涉及一种全光波长转换的方法与装置，特别涉及一种基于平坦低色散波导的输出无色、宽光谱全光波长转换的方法及装置。宽光谱通常是指3dB转换带宽。
背景技术
一方面随着当前手机上网、移动互联网、固定宽带接入的高速发展和大量普及，另一方面随着国家“宽带中国”、“互联网+”等战略的实施，使得网络数据流量激增，对光纤通信提出大容量、高速率的要求，全光通信网络也越来越受到重视。然而在高速大容量光通信中，进行数据交换与处理显得非常重要，特别是波长转换技术，可以提高波长的重用率，减少全网所需的波长数目，避免波长碰撞而且引起的阻塞，而且还可以实现信息的转换、上载与下载。同时随着SOI技术的发展，波长转换器趋于集成化和全光化，因此基于波导器件的全光波长转换器得到了广泛的研究。
现有的集成型全光波长转换器，主要是基于波导材料中的交叉相位调制、交叉增益调制、四波混频等非线性效应来实现。目前在利用四波混频效应来实现波长转换功能中，可以分为两大类技术：基于相位匹配技术[中国专利申请号201110167147.6]和准相位匹配技术[Feiya Zhou，Minming Zhang，Jing Dai，Yuanwu Wang，and Deming Liu.Efficientand broadband wavelength conversion in a slot waveguide with the periodicstructure altering the phase-mismatch[J].Applied optics，54.25(2015)，7753-7759；中国发明专利申请号：201410763322.1]。
现有的波长转换器主要技术缺点是对于设计好的波长转换器，其工作的泵浦波长是基本固定不变(接近零色散点)。如果要实现把某一信号光转换到不同的闲频光上(目标光)，就必须相应地改变浦波长，其转换特性必然大大降低，导致应用范围小、成本高。鉴于此，如何设计出可以输出无色的宽光谱全光波长转换转换器，使得同一信号光可以根据需要转换到不同的目标光上，并且保持高的转换特性，可以大大增加波长转换器的应用范围及通用性，降低成本。
发明内容
为了克服已有全光波长转换器的同一信号光不能转换到不同的目标光上、转换带宽等不足，本发明提供了一种基于平坦且低色散波导的输出无色、宽光谱全光波长转换的方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽光谱全光波长转换的方法，其特征在于，该方法对转换波导的输出端的目标光波长λi进行实时检测，该目标光波长λi发生改变时，根据固定的信号光波长λs0，计算此时泵浦源发出的泵浦光的波长λp，(λp＝2/(1/λi+1/λs0))，并由泵浦源相应调整其波长为2/(1/λi+1/λs0)，然后将信号光和泵浦光依次通过耦合器、放大器、偏振控制器和转换波导，所述转换波导具有平坦且低色散，在泵浦光波长随目标光波长λi的改变而发生变化时，同样能够满足相位匹配条件，发生四波混频效应，实现输出无色、宽光谱的全光波长转换，并保持高的转换特性，使得同一信号光可以转换到不同目标光上。
一种宽光谱全光波长转换的装置，它包括泵浦源、信号源、耦合器、放大器、偏振控制器和转换波导，所述泵浦源和信号源的输出端分别与所述耦合器的输入端信号连接，所述耦合器的输出端依次通过放大器、偏振控制器和转换波导；其特征在于，所述信号源和转换波导的输出端之间依次连接有波长计和运算器，共同构成反馈环，所述转换波导为具有平坦且低色散的波导；
工作时，所述波长计实时探测所述转换波导的输出端的目标光波长λi，当所需的目标光波长λi发生改变时波长计将目标光波长λi输入到所述运算器中，该运算器根据固定的信号光波长λs0，及四波混频原理，得到此时泵浦源的波长应该为2/(1/λi+1/λs0)，由泵浦源相应调整泵浦光波长为2/(1/λi+1/λs0)；信号光和泵浦光依次通过耦合器、放大器、偏振控制器进入所述转换波导，该泵浦光波长随目标光波长λi的改变而发生变化时，同样能够满足相位匹配条件，发生四波混频效应，实现输出无色、宽光谱的全光波长转换，最终实现同一信号光到不同目标光的波长转换，且转换效率基本不变。
上述方案中，设计的泵浦源与转换波导的输出端之间的反馈环，波长计实时探测目标光光波长λi，当目标光波长λi改变时波长计将目标光波长(λi)并输入到运算器中，该运算器根据固定的信号光波长λs0，及四波混频原理，可以得出此时泵浦源的波长应该是多少(λp＝2/(1/λi+1/λs0))，由泵浦源相应调整其波长为2/(1/λi+1/λs0)。
上述方案中，设计的转换波导具有平坦且低的色散特性，具体色散曲线是在较宽的波长范围内(通常在几十纳米至几千纳米范围内)，其二阶色散β2在反常色散区，变化为0～-20ps2/km(绝对值越小越好)，四阶色散β4值变化为-3×10-2～10×10-2ps4/km(绝对值越小越好)。使得当泵浦光波长(λp)发生较大漂移(随目标光光波长λi改变而发生变化)时，同样可以满足相位匹配条件，发生四波混频效应，实现波长转换，使得同一信号光可以转换到不同的目标光上。
上述方案中，设计的具有平坦且低色散的波导，可以采用各种波导结构进行色散优化获得，如狭缝slot波导、光子晶体波导、周期性波导等结构。
上述方案中，具有平坦且低色散曲线：在宽的光谱范围内，色散值(二阶色散β2，四阶色散值β4都比较小接近零值，都可以满足相位匹配条件：相位失配Δk＝2γPp+β2Ω2+1/12*β4Ω4，式中Ω＝ωp-ωs是信号光角频率ωs(ωs＝2πc/λs)与泵浦光角频率ωp(ωp＝2πc/λp)间的频移，β2，β4分别为泵浦源处的二阶和四阶色散值，Pp为泵浦源的功率，γ是转换波导的非线性系数。使得波长转换器的3dB转换带宽非常宽。
本发明与现有技术相比具有以下优势：
1.该全光波长转换器可以实现输出无色：当信号光固定，而转换的目标光发生改变时，通过反馈环得到相应所需的泵浦波长，可以实现波长转换并转换到不同的目标光上。使得同一信号光可以转换到不同的目标光上，并且保持高的转换特性。可以大大增加波长转换器的应用范围，降低成本。
2.该全光波长转换器对泵浦无敏感性，当泵浦波长发生较大变化(偏移几百纳米)时，都可以满足相位匹配条件，实现波长转换。实现了全光波长转换器的通用性，只要泵浦波长处在转换波导的平坦低色散区间，都可以发生四波混频，实现波长转换。
3.该全光波长转换器利用到了平坦低色散的波导作为转换波导，使得3dB转换带宽非常宽，具有超宽特性。
附图说明
图1为典型的基于波导实现全光波长转换的结构示意图；
图2为本发明装置的基于平坦低色散波导实现输出无色宽光谱全光波长转换的结构示意图；
图3为本发明实施例中平坦低色散波导结构的截面示意图；
图4为本发明实施例中转换波导平坦且低的色散曲线图；
图5为本发明实施例中基于平坦低色散波导输出无色宽光谱全光波长转换特性一图；
图6为本发明实施例中基于平坦低色散波导输出无色宽光谱全光波长转换特性二图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明了，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图2所示，本发明所述的基于平坦低色散波导实现输出无色的宽光谱全光波长转换的方法与装置，核心思想是：在基于波导全光波长转换器，一方面利用在泵浦源1与平坦且低色散的波导7的输出端之间加反馈环10，当信号源2发出的光固定不变，而转换的闲频光(目标光)需要改变时，泵浦源1可以通过反馈环10并根据所需要转换的不同目标光随之变化，以保证同一信号光可以转换到不同的目标光上；另一方面利用了具有平坦且低色散的波导7作为转换波导，使得泵浦源1发出的光信号(随目标光改变)发生变化时，同样可以满足相位匹配条件(主要取决于泵浦处的色散值)，实现高效宽光谱的波长转换。
图1为典型的基于波导基于波导实现全光波长转换的结构，转换波导6通过设计使得在泵浦处的色散值接近零或者比较小。泵浦源1和信号源2发出的光通过耦合器3，一起经过放大器4放大，适调节他们的偏振态(通过偏振器5调控)，再通过转换波导6，当满足相位匹配时，在其中发生四波混频效应，产生闲频关(ωi＝2ωp-ωs)，实现了波长的转换。
而在图1中典型的传统波长转换装置中，对于转换波导6，其色散值只在某一处或者较窄波长范围内接近零或比较小，当泵浦源1的光波长在这个零色散值附近时，满足相位匹配条件，可以实现波长转换；如果当信号源2发出的光固定不变，而需要转换的目标光发生改变时，此时泵浦源1的波长必须相应的发生改变，特别是离零色散点比较远的时候，此时就不能很好地满足相位匹配条件，波长转换的效率和带宽都会收到影响。这种典型的传统波长转换器不能实现同一信号光到不同目标光的转换。且对泵浦波长很敏感，有一定的选择性和限制性。
图2为本发明装置的基于平坦低色散波导实现输出无色宽光谱全光波长转换的结构示意图
本发明装置中利用到了一个反馈环10和具有平坦且低色散的波导7作为转换波导。首先，泵浦源1和信号源2发出的光通过耦合器3，一起经过放大器4放大，通过偏振控制器5适调节其的偏振态，再经过转换波导(具有平坦且低的色散波导7)，当满足相位匹配时，在其中发生四波混频效应，产生闲频关(ωi＝2ωp-ωs)，实现了波长的转换。
其次，当信号源2发出的信号光波长(λs0，fs0＝c/λs0)固定不变，而需要转换的目标光发生改变时，通过反馈环10中的波长计8探测出此时所需的目标光波长(λi，fi＝c/λi)，输入到运算器9中，根据固定的信号光波长(λs0)，及四波混频原理，可以得出此时泵浦源1的光波长应该是多少(fp＝(fs0+fi)/2，λp＝c/fp)。这样，当信号光波长(λs0)固定不变，而所需转换的目标光光波长(λi)如何变化时，都可以得到相应的泵浦源1的光波长(fp)，使得同一信号光(λs0)可以转换到不同的目标光(λi)上。
最后，利用具有平坦且低色散的波导7作为转换波导，可以使得转换波导在宽的光谱范围内都具有接近零的色散值(或者较小的色散值)，随之，当泵浦源1的光波长随着不同目标光而发生变化时，始终能够满足相位匹配条件，并利用四波混频效应实现波长转换。因此可以实现输出无色的宽光谱的全光波长转换。
所述的具有平坦且低色散的波导7，可以采用各种波导结构进行色散优化获得，如狭缝slot波导、光子晶体波导、周期性波导等结构。
本发明可以实现输出无色宽光谱全光波长转换，当泵浦源1的波长随着不同的目标光而发生变化时，还是可以实现高效宽光谱的波长变化。特别是需要把某一固定的信号源2发出的光转换到不同的闲频光(目标光)上时，可以利用本发明方法与装置，不需要更换转换波导，并且保持高的转换特性，大大减少成本和功耗。
在多用户大容量接入系统中，本发明可以把上行(用户端至局端)的同一个波长(信号光)，利用N(N为自然数)个相同的波长转换器(如果采用传统的波长转换器，则需要N个不同的)，转换到局端N个不同的波长(目标光)上，可以大大减少成本。另外在多信道大容量通信中，也可以利用本发明实现同一信道(信号光)下载或上载到不同的目标光光上。
本发明的实施例：
图3为本发明实施例中平坦低色散的波导7结构的截面示意图，所述的平坦低色散波导为直波导，波导长度为10mm，采用了双狭缝slot结构。具体组成材料及尺寸为：底层为4um的二氧化硅、宽度W为933nm、下层硫化砷高度Hl1为330nm、下层二氧化硅高度Hs1为114nm、中层硫化砷高度Hl2为960nm、上层二氧化硅高度Hs2为112nm、上层硫化砷高度Hl3为328nm。
图4为本发明实施例中转换波导平坦且低的色散曲线图，所述的转换波导色散值：在1150nm带宽范围内，其二阶色散β2值变化为0～-13ps2/km，四阶色散β4值变化为-3.68×10-3～3.56×10-2ps4/km，具有不仅低且平坦特性。
图5为本发明实施例中基于平坦低色散波导实现输出无色宽光谱全光波长转换特性图。利用上述中的双狭缝波导的平坦低色散特性，仿真分析得出：当泵浦波长从2300nm变化到2500nm时，3dB转换带宽约为1200nm，均具有超宽带特性，其转换效率也基本不变，如图5所示。更进一步，如图6所示，还分析了泵浦波长从2000nm变化到3000nm时，都具有很宽的3dB转换带宽。
根据图5所描述为例，当信号光(λs0)固定为2212nm时，为了实现波长转换且转换到不同的目标光(λi)上(如2395nm、2623nm、2874nm)，可以通过反馈环相应地调节泵浦光(λp)分别为2300nm、2400nm、2500nm，实现把同一信号光转换到不同的目标光上(基于同一个转换波导)，且转换效率基本不变。因此，在基于同一个转换波导中，当需要把同一信号光转换到不同的目标光时(目标光间的频差可达到几十THz)，可以通过反馈环相应地调节泵浦光波长，最终实现同一信号光到不同目标光间的波长转换，且转换效率基本不变。从此实例结果可以验证本发明的方法与装置的输出无色、宽光谱特性，具有输出无色的宽光谱的全光波长转换功能，具有显著的技术效果。
本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所运用，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明作出各种相应的更改和变型，而所有这些相应的更改和变型都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽光谱全光波长转换的方法，其特征在于，该方法对转换波导的输出端的目标光波长λi进行实时检测，该目标光波长λi发生改变时，根据固定的信号光波长λs0，计算此时泵浦源发出的泵浦光的波长λp，并由泵浦源相应调整其波长为2/(1/λi+1/λs0)，然后将信号光和泵浦光依次通过耦合器、放大器、偏振控制器和转换波导，所述转换波导具有平坦且低色散，在泵浦光波长随目标光波长λi的改变而发生变化时，同样能够满足相位匹配条件，发生四波混频效应，实现输出无色、宽光谱的全光波长转换，并保持高的转换特性，使得同一信号光能够转换到不同目标光上；
上述方案中，设计的泵浦源与转换波导的输出端之间的反馈环，波长计实时探测目标光光波长λi，当目标光波长λi改变时波长计将目标光波长λi并输入到运算器中，该运算器根据固定的信号光波长λs0，及四波混频原理，可以得出此时泵浦源的波为λp＝2/(1/λi+1/λs0))，由泵浦源相应调整其波长为2/(1/λi+1/λs0)。
2.根据权利要求1所述的宽光谱全光波长转换的方法，其特征在于，所述转换波导满足下述相位匹配条件：相位失配Δk＝2γPp+β2Ω2+1/12*β4Ω4，式中Ω＝ωp-ωs是信号光角频率ωs与泵浦光角频率ωp间的频移，ωs＝2πc/λs，ωp＝2πc/λp，β2，β4分别为泵浦源处的二阶和四阶色散值，Pp为泵浦源的功率，γ是转换波导的非线性系数。
3.根据权利要求1或2所述的宽光谱全光波长转换的方法，其特征在于，所述转换波导为狭缝slot波导、光子晶体波导或周期性波导。
4.根据权利要求1或2所述的宽光谱全光波长转换的方法，其特征在于，所述转换波导的二阶色散β2在反常色散区，且其二阶色散β2和四阶色散β4变化值的绝对值尽量小。
5.根据权利要求4所述的宽光谱全光波长转换的方法，其特征在于，所述转换波导的二阶色散β2变化为0～-20ps2/km，四阶色散β4值变化为-3×10-2～10×10-2ps4/km。
6.一种宽光谱全光波长转换的装置，其特征在于，该装置包括泵浦源、信号源、耦合器、放大器、偏振控制器和转换波导，所述泵浦源和信号源的输出端分别与所述耦合器的输入端信号连接，所述耦合器的输出端依次通过放大器、偏振控制器和转换波导；其特征在于，所述信号源和转换波导的输出端之间依次连接有波长计和运算器，共同构成反馈环，所述转换波导为具有平坦且低色散的波导；
工作时，所述波长计实时探测所述转换波导的输出端的目标光波长λi，当所需的目标光波长λi发生改变时波长计将目标光波长λi输入到所述运算器中，该运算器根据固定的信号光波长λs0，及四波混频原理，得到此时泵浦源应有的波长为2/(1/λi+1/λs0)，由泵浦源相应调整泵浦光波长为2/(1/λi+1/λs0)；信号光和泵浦光依次通过耦合器、放大器、偏振控制器进入所述转换波导，该泵浦光波长随目标光波长λi的改变而发生变化时，同样能够满足相位匹配条件，发生四波混频效应，实现输出无色、宽光谱的全光波长转换，最终实现同一信号光到不同目标光的波长转换，且转换效率基本不变。
7.根据权利要求6所述的宽光谱全光波长转换的装置，其特征在于，所述转换波导满足下述相位匹配条件：相位失配Δk＝2γPp+β2Ω2+1/12*β4Ω4，式中Ω＝ωp-ωs是信号光角频率ωs与泵浦光角频率ωp间的频移，β2，β4分别为泵浦源处的二阶和四阶色散值，Pp为泵浦源的功率，γ是转换波导的非线性系数。
8.根据权利要求6或7所述宽光谱全光波长转换的装置，其特征在于，所述转换波导为狭缝slot波导、光子晶体波导或周期性波导。
9.根据权利要求6或7所述宽光谱全光波长转换的装置，其特征在于，所述转换波导的二阶色散β2在反常色散区，且其二阶色散β2和四阶色散β4变化值的绝对值尽量小。
10.根据权利要求9所述宽光谱全光波长转换的装置，其特征在于，所述转换波导的二阶色散β2变化为0～-20ps2/km，四阶色散β4值变化为-3×10-2～10×10-2ps4/km。
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