CN108957906A - 基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换器及转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石英光纤中Stokes与anti‑Stokes上下行全光波长转换器及转换方法，包括上行泵浦信号激光器、下行泵浦信号激光器、光纤、掺饵光纤放大器、掺镨氟化物光纤放大器、第一探测光激光器、第二探测光激光器、第一光合波器、第二光合波器、第一石英光纤、第二石英光纤、第一光滤波器、第二光滤波器、第一光分波器、第二光分波器、光接收机。与现有技术相比，本发明具有结构简单，实现方便，转换效率高，且其探测波长是可以选择的，可以实现跨波段转换和克服了单一波长转换的缺陷，不仅具有波长转换的基本功能，还能够在光分组交换网络中应用于改善网络阻塞以及减少网络中减缓器的数目。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别是一种基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换器及转换方法。
背景技术
随着光通信系统的传输容量逐渐增加，通信系统中的非线性效应越来越受到广泛的重视。石英光纤因其原料资源丰富以及获取容易，成为光纤通信系统传输一个重要介质，以石英光纤作为通信介质，在光纤通信上有放大以及波长转换的局限性，所以，研究基于石英光纤的波长转换器对超大容量的波长转换系统有较为重要的意义。而全光波长转换器(AOWC:All-optical Wavelength Converter)也将引起人们广泛关注，新的全光波长转换器成为热点。新的全光波长转化器要有较高的转换效率，更好的消光比以及较宽的波长转换范围。另一方面全光波长转化无需光电(OE)/电光(EO)转换，克服了“电子瓶颈”对光网络的限制，并且此新型解决的技术是基于Stokes与anti-Stokes的全光波长转换，喇曼波长转换的都是从短波长到长波长的上转换，这是基于光纤中喇曼散射Stokes效应研究的，对于长波长到短波长的下转换基本没有涉及。那么基于光纤中喇曼散射的波长转换技术对于长波长到短波长的研究是有必要的，对喇曼波长转换技术在的下转换技术的填补，所以研究基于Stokes与anti-Stokes的上下行波长转换技术有较为较为重要的研究价值。极大的提高了器件的响应速度，达到皮秒(0.1ps)量级，所以信号光所携带的信息能够高效、快速、可靠地从一个波长转换到另一个可选择的波长上去，对系统的灵活性以及可扩充性有较大改善，网络阻塞问题也能够得到有效解决。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换器及转换方法。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换器，包括上行泵浦信号激光器、下行泵浦信号激光器、光纤、掺饵光纤放大器、第二掺镨氟化物光纤放大器、第一探测光激光器、第二探测光激光器、第一光合波器、第二光合波器、第一石英光纤、第二石英光纤、第一光滤波器、第二光滤波器、第一光分波器、第二光分波器、光接收机，上行泵浦信号激光器和下行泵浦信号激光器的输出端通过光纤分别与掺饵光纤放大器和掺镨氟化物光纤放大器的输入端连接，掺饵光纤放大器和掺镨氟化物光纤放大器的输出端通过光纤分别与第一光合波器和第二光合波器的输入端连接，若干第一探测光激光器和若干第二探测光激光器的输出端通过光纤分别接入第一光合波器和第二光合波器，第一光合波器和第二光合波器的输出端通过第一石英光纤和第二石英光纤分别连接第一光滤波器和第二光滤波器的输入端，第一光滤波器和第二光滤波器的输出端通过光纤分别接到第一光分波器和第二光分波器的输入端，第一光分波器和第二光分波器的输出端通过光纤与光接收机输入端连接。
进一步的技术方案为，所述第一探测光激光器和第二探测光激光器的中心波长相同记为λi，上行泵浦信号激光器的中心波长记为λp1，下行泵浦信号激光器的中心波长记为λp2，掺饵光纤放大器、掺镨氟化物光纤放大器输出的中心波长记为λp，所述λi>λp1，λi<λp2；所述λp与λi满足频移计算公式Δv＝(1/λp)—(1/λi)，其中Δv为频移量，i的取值为1～N，N为整数，上行波长转换Δv的取值范围为[166.7,436.3]cm-1，下行波长转换Δv的取值范围为[-166.-66.7]cm-1；所述第一石英光纤12中发生Stokes效应，在第二石英光纤中发生anti-Stokes效应，第一石英光纤中的Stokes增益谱在[5,13.1]THz，第二石英光纤中anti-Stokes增益谱在[-5，-2]THz。
另外，基于上述一种基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换器，本发明还提供一种基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换方法，把上行泵浦信号激光器和下行泵浦信号激光器输出的信号光通过光纤分别与掺饵光纤放大器和掺镨氟化物光纤放大器连接，掺饵光纤放大器和掺镨氟化物光纤放大器使信号光放大整形后分别输入到第一光合波器和第二光合波器，通过若干第一探测光激光器和若干第二探测光激光器向第一光合波器和第二光合波器分别输入激探测光，第一光合波器和第二光合波器输出后通过第一石英光纤和第二石英光纤，并在第一石英光纤中发生Stokes效应，在第二石英光纤中发生anti-Stokes效应，产生能量转移，完成了信号光信息的转移，然后通过光纤分别接到第一光滤波器和第二光滤波器滤除掉探测光中的上行泵浦信号光和下行泵浦信号光，再经第一光分波器和第二光分波器分别分离出上行波长转换和下行波长转换后的探测光，最后输入光接收机，完成基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明具有结构简单，实现方便，转换效率高，且其探测波长是可以选择的，可以实现跨波段转换和克服了单一波长转换的缺陷，不仅具有波长转换的基本功能，还能够在光分组交换网络中应用于改善网络阻塞以及减少网络中减缓器的数目；
本发明使用石英光纤，其价格低廉、资源丰富、原料易于获取，所以成本大大的减少，弥补了石英光纤缺乏波长转换的问题；
本发明较相较于一般的波长转换器具有高度透明性，能够精确的将信号光转换其它任意自主可选择波长上，并且相响应速度达到ps量级；
本发明是对喇曼波长转换技术的补充，弥补之前喇曼波长转换技术的只能从短波长到长波长上行波长转换的技术空白，充分的利用了喇曼散射效应的两个Stokes与anti-Stokes的两个过程，实现了从长波长到短波长的下行波长转换；
综上所述本发明结构简单、成本较低、可靠性高、适合对未来的光波长转换器件的应用，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为石英光纤Stokes与anti-Stokes增益谱系数图；
图3为波长转换前泵浦信号光功率波形示意图；
图4为输入探测光的光功率示意图；
图5为上行转换后泵浦信号光功率波形示意图；
图6为上行转换后探测光1550nm光功率波形示意图；
图7为下行转换后泵浦信号光功率波形示意图；
图8为下行转换后探测光1310nm光功率波形示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示的一种基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换器，包括上行泵浦信号激光器1、下行泵浦信号激光器4、光纤2，掺饵光纤放大器3、掺镨氟化物光纤放大器5、第一探测光激光器6、第二探测光激光器7、第一光合波器10、第二光合波器11、第一石英光纤12、第二石英光纤13、第一光滤波器14、第二光滤波器15、第一光分波器16、第二光分波器17、光接收机18，上行泵浦信号激光器1和下行泵浦信号激光器4的输出端通过光纤2分别与掺饵光纤放大器3和掺镨氟化物光纤放大器5的输入端连接，掺饵光纤放大器3和掺镨氟化物光纤放大器5的输出端通过光纤2分别与第一光合波器10和第二光合波器11的输入端连接，若干第一探测光激光器6和若干第二探测光激光器7的输出端通过光纤2分别接入第一光合波器10和第二光合波器11，第一光合波器10和第二光合波器11的输出端通过第一石英光纤12和第二石英光纤13分别连接第一光滤波器14和第二光滤波器15的输入端，第一光滤波器14和第二光滤波器15的输出端通过光纤2分别接到第一光分波器16和第二光分波器17的输入端，第一光分波器16和第二光分波器17的输出端通过光纤2与光接收机18输入端连接。
本发明的原理为：把上行泵浦信号激光器1和下行泵浦信号激光器4输出的信号光通过光纤2分别与掺饵光纤放大器3和掺镨氟化物光纤放大器5连接，掺饵光纤放大器3和掺镨氟化物光纤放大器5使信号光放大整形后分别输入到第一光合波器10和第二光合波器11，通过若干第一探测光激光器6和若干第二探测光激光器7向第一光合波器10和第二光合波器11分别输入激探测光，第一光合波器10和第二光合波器11输出后通过第一石英光纤12和第二石英光纤13，并在第一石英光纤12中发生Stokes效应，在第二石英光纤13中发生anti-Stokes效应，产生能量转移，完成了信号光信息的转移，然后通过光纤分别接到第一光滤波器14和第二光滤波器15滤除掉探测光中的上行泵浦信号光和下行泵浦信号光，再经第一光分波器16和第二光分波器17分别分离出上行波长转换和下行波长转换后的探测光，最后输入光接收机18，完成基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换。
本发明实际上是分为上行波长转换和下行波长转换，所述第一探测光激光器6和第二探测光激光器7的中心波长相同记为λi，上行泵浦信号激光器1的中心波长记为λp1，下行泵浦信号激光器4的中心波长记为λp2，掺饵光纤放大器3、掺镨氟化物光纤放大器5输出的中心波长记为λp，在上行波长转换中，所述λi>λp1；在下行波长转换中，λi<λp2；所述λp与λi满足频移计算公式Δv＝(1/λp)—(1/λi)，其中Δv为频移量，上行波长转换Δv的取值范围为[166.7,436.3]cm-1，下行波长转换Δv的取值范围为[-166.-66.7]cm-1；所述第一石英光纤12中发生Stokes效应，在第二石英光纤13中发生anti-Stokes效应，第一石英光纤12中的Stokes增益谱在[5,13.1]THz，第二石英光纤13中anti-Stokes增益谱在[-5，-2]THz。作为波长转换的范围。石英光纤的Stokes与anti-Stokes增益谱如图2所示。
选取Stokes增益谱的频移范围为[166.7，436.3]cm-1即[5，13.1]THz，为了保证尽可能大的喇曼增益，选取anti-Stokes增益谱频移范围为[-166.7，-66.7]cm-1即[-5，-2]THz，进行最小二乘法直线拟合，拟合后的喇曼增益曲线的表达式为:
Stokes：g(Δυ)＝k1Δυ+b1Δυ∈[166.7，436.3]cm-1 (1)
anti-Stokes：g(Δυ)＝k2Δυ+b2Δυ∈[-166.7，-66.7]cm-1 (2)
其中，k1＝2.966×10-16(W-1),b1＝2.162×10-14(W-1km-1)；
k2＝2.802×10-16(W-1),b2＝7.867×10-14(W-1km-1)。
本发明基于石英光纤受激喇曼散射的上下行全光波长转换技术具体实施步骤如下：
步骤一、选择上行泵浦信号激光器1输出的泵浦信号光的中心波长λp1＝1480nm的脉冲激光器，下行波长泵浦信号激光器4输出的泵浦信号光的中心波长λp2＝1330nm的脉冲激光器；
步骤二、基于受激喇曼波长转换技术是利用Stokes与anti-Stokes的放大作用，脉冲激光信号与无携带信息的可探测激光产生受激喇曼散射，与探测激光调制发生信息转换，所以针对受激喇曼散射的耦合波方程：
得到解析解：
即转换后各信道探测光功率为：
Pi(t-z/u)：脉冲激光器的初始输出功率；Pi(z，t)：信号在光纤长度z后，t时刻的光功率；z：石英光纤的长度；Gip：泵浦信号光和连续探测光之间的增益；v1：为泵浦信号光的光波频率；v:为信道中光波频率的统计平均值；gR:Stokes与anti-Stokes的增益系数；α:为光功率在石英光纤13中的衰减系数；Ae：为石英光纤9的有效作用面积；L:为石英光纤13的有效作用长度。
通过图2可得出该发明的上行转换的探测光与泵浦光的频移范围为[166.7,436.3]cm-1，下行转换的探测光与泵浦光的频移范围为[-166.7,66.7]cm-1，取信道泵浦光波频率平均值在其他条件已知情况，通过定条件计算出达到转换输出功率最小时的喇曼增益系数gR。本发明给定的相关系数为：Pp(t-z/u)＝0.3W,上行转换的泵浦信号光波长λp为1480nm，下行转换的泵浦信号光波长λp为1330nm，Pi(t-z/u)为t时刻在光纤z处的光功率,α＝0.2dB/km，M为保偏系数且M＝2,Ae＝5×10-11m2，探测光功率Pi(z,t)为-30dBm，群速度u取2.0×10-8m/s。
步骤三、上下行泵浦信号激光器1和4输出的泵浦信号光经过掺饵光纤放大器3和掺镨氟化物光纤放大器5后输出的泵浦信号光经过掺饵光纤放大器3和掺镨氟化物光纤放大器5的放大作用后，使其信号光的功率达到受激喇曼散射产生的阈值条件，将放大后的泵浦信号光的示意图为图3，的放大作用后，使其信号光的功率达到受激喇曼散射产生的阈值条件，将放大后的泵浦信号光的示意图为图3，其中，横坐标时间t，单位秒s；纵坐标光功率P，单位瓦特W；“1”码功率为0.3W，然后输入合波器5。
步骤四、根据频移计算公式Δv＝(1/λp)—(1/λi)，选择第一探测光激光器6和第二探测光激光器7的中心波长λi，第一探测光激光器6和第二探测光激光器7输出不携带信号的连续探测光，经过光纤2后，上行探测光输入第一合波器10，下行探测光输入第二合波器11；其中上行波长转换Δv为频移量范围为[166.7,436.3]cm-1，下行波长转换Δv为频移量范围为[-166.7,-66.7]cm-1，本发明的第一石英光纤12和第二石英光纤13的长度500m，上行可转换的波长选择的取值为[1517.35,1582.16]nm之间取值，下行可转换的波长选择的取值为[1301.34,1318.31]nm之间取值。由于光纤传输的两个通信窗口波长为1310nm和1550nm，所以选取的Stokes上转换目标波长为1550nm，anti-Stokes下转换目标波长波长为1310nm，也可以自主选择一个波长；第一探测激光器6和第二探测激光器7输入的探测光的光功率示意图如图4所示，光功率为恒定的0.1×10-5W，横坐标表示时间t，单位为秒s；纵坐标表示光功率P，单位为瓦特W。
步骤五、泵浦信号光携带信息序列为“1010101010”，规定在泵浦信号光峰值为“1“码，而在零值时规定为”0“码从matlab仿真可以看出在泵浦信号”1“码时光对探测光有调制放大作用，在”0“码时候对探测光无放大调制作用。如图5、图7所示分别为上行转换后泵浦信号光功率波形和下行转换后泵浦信号光功率波形，横坐标时间t，单位s；纵坐标为光功率P，单位w；与转换前泵浦信号光相比明显峰值光功率减少了，这是因为经过Stokes与anti-Stokes后发生了能量的转移，泵浦信号光有了一定程度的消耗。经第一光分波器16与第二光分波器17后选择出转换后的探测光，转换后上行探测光波长1550nm输出如图6所示，转换后下行探测光波长1310nm输出如图8所示，横坐标表示时间t，单位为秒s；纵坐标表示光功率P，单位为瓦特W。考虑有线性衰减，所以所得的转换输出光功率较小。可以看到上行转换后的泵浦信号光峰值功率小于下行转换后的泵浦信号光峰值功率，因为上行转换Stokes效应强于下行转换anti-Stokes效应，因此上转换的泵浦信号光所消耗的能量更多，上行转换后的探测光峰值功率低于下转换后探测光的峰值功率。且转换后的上下行探测光波形与泵浦信号光波形一致。上行转换后的探测光波形峰值功率为1.620×10-5W，下行转换后的探测光峰值功率为2.783×10-6W，下行转换峰值功率小于上行转换功率的原因：基于anti-Stokes的下行转换相比于基于Stokes的上行转换喇曼增益系数较小，因此下行探测光转换后得到的增益较小，峰值功率较小。在使用了较短的光纤上得到了较宽的波长选择范围，从图中可以看到转换信息是成功的，转换后信号与泵浦信号波形相同，且因为石英光纤获取较为容易，所以基于石英光纤的波长转换技术成本较为其他高非线性光纤更低。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换器，其特征在于，包括上行泵浦信号激光器、下行泵浦信号激光器、光纤、掺饵光纤放大器、掺镨氟化物光纤放大器、第一探测光激光器、第二探测光激光器、第一光合波器、第二光合波器、第一石英光纤、第二石英光纤、第一光滤波器、第二光滤波器、第一光分波器、第二光分波器、光接收机，上行泵浦信号激光器和下行泵浦信号激光器的输出端通过光纤分别与掺饵光纤放大器和掺镨氟化物光纤放大器的输入端连接，掺饵光纤放大器和掺镨氟化物光纤放大器的输出端通过光纤分别与第一光合波器和第二光合波器的输入端连接，若干第一探测光激光器和若干第二探测光激光器的输出端通过光纤分别接入第一光合波器和第二光合波器，第一光合波器和第二光合波器的输出端通过第一石英光纤和第二石英光纤分别连接第一光滤波器和第二光滤波器的输入端，第一光滤波器和第二光滤波器的输出端通过光纤分别接到第一光分波器和第二光分波器的输入端，第一光分波器和第二光分波器的输出端通过光纤与光接收机输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换器，其特征在于：所述第一探测光激光器和第二探测光激光器的中心波长相同记为λi，上行泵浦信号激光器的中心波长记为λp1，下行泵浦信号激光器的中心波长记为λp2，掺饵光纤放大器、掺镨氟化物光纤放大器输出的中心波长记为λp，所述λi>λp1，λi<λp2；所述λp与λi满足频移计算公式Δv＝(1/λp)—(1/λi)，其中Δv为频移量，i的取值为1～N，N为整数，上行波长转换Δv的取值范围为[166.7,436.3]cm-1，下行波长转换Δv的取值范围为[-166.-66.7]cm-1；所述第一石英光纤12中发生Stokes效应，在第二石英光纤中发生anti-Stokes效应，第一石英光纤中的Stokes增益谱在[5,13.1]THz，第二石英光纤中anti-Stokes增益谱在[-5，-2]THz。
3.一种如权利要求2所述的基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换方法，其特征在于，把上行泵浦信号激光器和下行泵浦信号激光器输出的信号光通过光纤分别与掺饵光纤放大器和掺镨氟化物光纤放大器连接，掺饵光纤放大器和掺镨氟化物光纤放大器使信号光放大整形后分别输入到第一光合波器和第二光合波器，通过若干第一探测光激光器和若干第二探测光激光器向第一光合波器和第二光合波器分别输入激探测光，第一光合波器和第二光合波器输出后通过第一石英光纤和第二石英光纤，并在第一石英光纤中发生Stokes效应，在第二石英光纤中发生anti-Stokes效应，产生能量转移，完成了信号光信息的转移，然后通过光纤分别接到第一光滤波器和第二光滤波器滤除掉探测光中的上行泵浦信号光和下行泵浦信号光，再经第一光分波器和第二光分波器分别分离出上行波长转换和下行波长转换后的探测光，最后输入光接收机，完成基于石英光纤中Stokes与anti-Stokes上下行全光波长转换。
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