CN109031853A - 一种相位敏感光学参量放大器及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种相位敏感光学参量放大器及其运行方法，接收到的信号光和本地激光源发出的第一泵浦光、第二泵浦光三个光束的波数满足矢量三角形关系，三束光接入三阶非线性介质器件发生简并四波混频效应，三阶非线性介质器件出射的光束接入偏振控制器，控制X，Y方向的偏振分量变换到与偏振光分束器的主轴成45°，在偏振分束器X方向和Y方向的偏振光分束，经反射镜组多次反射后再进入偏振分束器合束，合束光经滤光器后为本放大器的输出。本发明有效放大功率比泵浦光小两个数量级以上的信号光，并抑制信号相位噪声，且不引入振幅噪声。本放大器结构简单，成本低，体积小，易于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及光学参量放大技术，具体为一种相位敏感光学参量放大器及其运行方法，用于实现调相信号的振幅放大与相位再生。
背景技术
相位敏感光学参量放大器(Optical Phase-sensitive Amplifier OPSA)有两个特性：1、放大器的量子极限噪声为0dB，2、放大器可以压缩输入信号的相位。这些特性使得相位敏感光学参量放大器在调相光学信号的振幅再生的处理与相位再生的全光信号的处理方面有独特优势。在相位敏感光学参量放大的研究过程中，在二、三阶非线性介质中先后观察到了上述两种特性，其中研究得最多的是应用四波混频效应来实现相位敏感光学参量放大。另外，基于四波混频效应的相位敏感光学参量放大器非线性效应飞秒量级的响应时间使其能够胜任光学信号的处理速度。在高非线性光纤和硅基波导等非线性介质中基于四波混频效应的相位敏感光学参量放大也开始被广泛地研究。但是，基于相位敏感光学参量放大效应的光学放大器存在相位噪声向振幅噪声转化的问题。这是由于相位敏感光学参量放大应用在不同的输入相位时振幅放大率不同造成的。
减小相位噪声与振幅噪声可以增大信号的中继距离并可以增加通信系统的透明性。因此在实际应用中需要一个能同时减小相位噪声与振幅噪声的光学信号放大器。通常的解决方法法是使相位敏感光学参量放大器工作在增益饱和区，以抑制相位噪声与振幅噪声的转换。但这需要大的信号功率才能达到增益饱和状态，目前尚无法在小信号状态下对相位噪声与振幅噪声的转换实现充分抑制。
发明内容
本发明的目的是设计一种相位敏感光学参量放大器及其运行方法，接收到的信号光和本地激光源发出的第一泵浦光、第二泵浦光三个光束接入三阶非线性介质器件发生简并四波混频效应，三阶非线性介质器件出射的光束接入偏振控制器，控制X，Y方向的偏振分量变换到与偏振光分束器的主轴成45°，在偏振分束器X方向和Y方向的偏振光分束，经反射镜组多次反射后再进入偏振分束器合束，合束光经滤光器后为本放大器的输出。本发明有效放大小功率的信号光，并抑制信号相位噪声，且不引入振幅噪声。
本发明一种相位敏感光学参量放大器包括信号光、泵浦光源和反射镜，还有三阶非线性介质器件、偏振控制器、偏振分束器和滤光器,接收到的信号光和本地激光源发出的第一泵浦光、第二泵浦光三个光束的波数满足矢量三角形关系，以每束光传播方向为光矢量方向，三束光满足ks＝(kp1+kp2)/2)，ks,kp1和kp2分别表示信号光、第一泵浦光和第二泵浦光的波数(波数k＝2π/λ,为光矢量长度，λ为光的波长)；所述三束光接入三阶非线性介质器件发生简并四波混频效应，由三阶非线性介质器件出射的光束沿Z向接入偏振控制器，控制X，Y方向的偏振分量变换到与偏振光分束器的主轴成45°，之后送到偏振分束器，偏振分束器的分光面垂直于XZ面，与ZX平面成45°，分光面透射X方向偏振光或Y方向偏振光，而偏振方向与透射光偏振方向垂直的偏振光被分光面反射。所述反射镜组包括3块平面反射镜，均与XZ面垂直，三镜构成冂形，相对的两块反射镜与射偏振分束器的分束面平行，处于冂形顶部的一块反射镜与分束面垂直。光经过偏振分束器后按偏振方向分为两路，两路光分别经过反射镜组的多次反射后又在偏振分束器合束，之后经过滤光面与XZ面垂直、与分束面成45°的滤光器输出，为本放大器的输出。
所述接收的信号光波长为λs，第一泵浦光的波长为λp1，第二泵浦光的波长为λp2，它们满足能量守恒关系ωs＝(ωp1+ωp2)/2，ωs，其中ωp1和ωp2分别表示信号光、第一泵浦光、第二泵浦光的频率；同时这三束光的初始相位满足相位锁定。第一泵浦光的偏振方向为X方向，第二泵浦光的偏振方向为Y方向，信号光的偏振方向在X、Y方向上的投影分别为Sx与Sy。信号光的偏振方向与X或Y方向的夹角小于10°，较佳方案该夹角小于5°，更佳方案该夹角小于1°。
当信号光的偏振方向越来越靠近两个泵浦光之一的偏振方向时，相位敏感光学参量放大器抑制相位噪声到振幅噪声的转换的能力越强。当信号光的偏振方向与两个泵浦光之一的偏振方向相同时，可以完全抑制住相位噪声到振幅噪声的转换。也就是说当信号光的偏振方向与两个泵浦光之一的偏振方向相同时，本相位敏感光学参量放大器效果最好；当信号光的偏振方向与两个泵浦光之一的偏振方向不完全相同时，本相位敏感光学参量放大器有一定的抑制相位噪声到振幅噪声转换的能力，但不能完全抑制。信号光的偏振方向与X或Y方向的夹角小于1°抑制能力好，此夹角在1°～5°抑制效果有所下降，此夹角在5°～10°有一定抑制效果，但此夹角在10°～45°没有抑制效果，甚至使信号质量恶化。
最佳方案为所述信号光的偏振方向为X方向或Y方向。
所述三阶非线性介质器件为硅基波导、锗波导、砷化镓波导或和非线性光纤中的任一种。
射偏振分束器的分束面插入反射镜组冂形底部。
偏振分束器的分束面插入反射镜组冂形底部的边与冂形顶部反射镜的距离为冂形竖直部分长度的1/3至1/2。
所述冂形反射镜组以偏振分束器的分束面所处平面为左右对称面。
所述滤波器的带宽由第一、第二泵浦光波长λp1、λp2,和信号光波长λs决定，信号光波长λs为滤波器中心波长，第一、第二泵浦光λp1、λp2处于滤波器带宽范围之外，所述滤波器透过信号光而滤掉泵浦光。
本发明一种相位敏感光学参量放大器的运行方法，包括如下步骤：
步骤1、三束光耦合进三阶非线性介质器件
输入的信号光被接收，本地泵浦源产生第一泵浦光和第二泵浦光，接收的信号光和第一、第二泵浦光一起沿Z向耦合进三阶非线性介质器件；
步骤2、简并四波混频效应
三束光在三阶非线性介质器件中发生三阶非线性效应，即简并四波混频效应；
所述三阶非线性介质器件的出射光包含新产生的与原信号光同波长的闲频光、原信号光和残留的泵浦光，闲频光与原信号光波长相同，相位相同，波矢量方向相同，但是偏振方向不同。闲频光与原信号光叠加的振幅大于原信号振幅，即输出信号光功率比输入信号的功率提高，信号光得到放大，两者叠加后的出射光的偏振方向与泵浦光功率，信号光功率和三阶非线性介质器件的特性相关。
在三阶非线性介质器件内产生简并四波混频，不考虑总体损耗和色散因素，泵浦光功率随着三阶非线性介质器件的长度增加、周期性地先向信号光和闲频光转移，信号光和闲频光功率再向泵浦光转移，如此循环；即信号光和闲频光功率会周期性先增大再减小，在此周期过程中信号光和泵浦光各自频率不发生变化，泵浦光的偏振方向也不发生变化，而闲频光和信号光为互易的两束光，两者叠加在一起的状态与初始状态的偏振差异也在周期变化。
因泵浦光不可能完全将能量转换到信号光，总有残留的泵浦光。
取三阶非线性介质器件长度为出射光功率最大时的最小周期尺寸。由于三阶非线性介质都存在一定吸收，因此三阶非线性介质器件长度越大，吸收越大。
步骤3、偏振控制
所述三阶非线性介质器件的出射光沿Z轴正向进入偏振控制器，在其中出射光中的X、Y偏振分量变换到与偏振光分束器的主轴成45°，即使光束的X、Y偏振分量变换到与偏振光分束器晶体的矢量坐标系夹角为45°。
步骤4、偏振光的分束与合束
偏振控制器出射的光束45°入射偏振分束器的分光面，按偏振方向分为两路光，两路光分别经过反射镜组的多次反射后又在偏振分束器合束输出。
经过三阶非线性介质器件之后信号光与新产生闲频光的功率之比无法确定(由简并四波混频特性决定)，因此信号光与闲频光叠加的出射光虽然仍为线偏振光，但偏振方向不定。其电场矢量端点方程按单色平面波基本表示方法即为：其中Ex，Ey为电场，Ax，Ay为振幅。Ax与Ay比值无法确定，因此出射光偏振方向无法确定。将出射光投影分为x、y两个方向偏振光，由于x、y方向与偏振光分束器晶体的矢量坐标系夹角为45°，因此在偏振光分束器的分束面x、y方向的偏振光都是半透半反。当经多次反射后再次在偏振光分束器的分束面合束时，对于偏振光分束器的晶体矢量坐标系，两个偏振光的分量振幅均为(Ax+Ay)/2。偏振光分束器合束后输出偏振方向为与晶体矢量坐标成45°的线偏振光，即为与X或Y方向平行的线偏振光。当接收的信号光偏振方向与X或Y方向相同，偏振光分束器输出光的偏振方向与接收的信号光的偏振方向相同。
3块平面反射镜中处于分束面上方的为第一反射镜，与分束面垂直的为第二反射镜，处于分束面下方的为第三反射镜。三阶非线性介质器件出射的光束沿Z轴正向45°入射偏振分束器的分光面，透射光依次经第三、第二、和第一反射镜的三次反射后，沿X轴负向45°入射偏振分束器的分光面并又被透射出来，透射光朝X轴负向传送；而被分光面反射的光经过反射镜组的第一、第二和第三反射镜的三次反射后，沿Z轴负向45°入射偏振分束器的分光面的反面并再次被反射，反射光朝X轴负向传送；朝X轴负向传送的透射光和反射光合为一束光。
步骤5、放大信号光的输出
偏振分束器输出的合束光经过与XZ面垂直、与分束面成45°的滤光器的滤光面，滤除泵浦光，透过信号光和闲频光，经滤光器后的出射光为本放大器的输出光。
与现有技术相比，本发明一种相位敏感光学参量放大器及其运行方法的优点为：1、当接收的信号光的功率比泵浦光小两个数量级以上为小信号输入，此情况下本放大器在将接收的信号光功率放大的同时，仍可抑制信号相位噪声，且不引入振幅噪声；2、整个光路均可以在片上集成，便于今后进行全光集成部件的设计与生产；3、本放大器结构简单，成本低，体积小，易于推广使用。
附图说明
图1为本相位敏感光学参量放大器实施例的结构示意图；
图2为本相位敏感光学参量放大器实施例的信号光及第一、第二泵浦光偏振关系示意图；
图3为本相位敏感光学参量放大器的使用方法实施例效果曲线图。
图中标号为：
1、信号光和第一、第二泵浦光，2、硅基波导，3、偏振控制器，4、偏振分束器，5、反射镜组，6、滤光器。
具体实施方式
相位敏感光学参量放大器实施例
本相位敏感光学参量放大器实施例如图1所示，包括第一、第二泵浦激光器(图内未显示)，硅基波导2，偏振控制器3，偏振分束器4，反射镜组5和滤光器6。本例本放大器接收到的信号光和第一泵浦光、第二泵浦光三束光的波数满足矢量三角形关系，以每束光传播方向为光矢量方向，三束光满足ks＝(kp1+kp2)/2)，ks,kp1和kp2分别表示信号光、第一泵浦光、第二泵浦光的波数；所述三束光1一起接入三阶非线性介质器件硅基波导2。
本例接收的信号光波长为λs＝1550nm，第一泵浦光的波长为λp1＝1400nm，第二泵浦光的波长为λp2＝1736nm。它们满足能量守恒关系ωs＝(ωp1+ωp2)/2，ωs，以及动量守恒关系ks＝(kp1+kp2)/2,其中ωp1和ωp2分别表示信号光、第一泵浦光、第二泵浦光的频率；ks,kp1和kp2分别表示信号光、第一泵浦光、第二泵浦光的波数。
这三束光的初始相位满足相位锁定，本例第一泵浦光初始相位为φp1(0)＝-0.27πrad,第二泵浦光初始相位为φp2(0)＝-0.27πrad，信号光初始相位为φsx(0)＝0.87πrad。
如图2所示，第一泵浦光的偏振方向P1为X方向，第二泵浦光的偏振方向P2为Y方向，信号光的偏振方向S在X、Y方向上的投影分别为Sx与Sy。本例信号光的偏振方向为X方向。
三束光在硅基波导2发生简并四波混频效应，由硅基波导2出射的光束沿Z向接入偏振控制器，控制X，Y方向的偏振分量变换到与偏振光分束器的主轴成45°，之后送到偏振分束器，偏振分束器的分光面垂直于XZ面，与ZX平面成45°，本例偏振分束器的分光面透射X方向偏振光，而Y方向偏振光被分光面反射。
如图1所示，本例反射镜组包括3块平面反射镜，均与XZ面垂直，三镜构成冂形，处于分束面上方的为第一反射镜①，与分束面垂直的为第二反射镜②，处于分束面下方的为第三反射镜③。偏振分束器4的分束面插入反射镜组冂形底部的边与第二反射镜②的距离为第一反射镜①长度的1/2。本例冂形的反射镜组5以偏振分束器4的分束面所处平面为左右对称。
偏振分束器4出射光经滤波器6后输出，为本放大器输出。
本例滤波器6的中心波长为信号光波长λs＝1550nm。滤波器6带宽为1430nm～1670nm。第一、第二泵浦光λp1、λp2处于带宽范围之外，该滤波器6透过信号光而滤掉泵浦光。
相位敏感光学参量放大器的运行方法实施例
相位敏感光学参量放大器的运行方法实施例即是在上述相位敏感光学参量放大器实施例上的的运行方法，包括如下步骤：
步骤1、三束光1耦合进硅基波导2
输入的信号光被接收，本地的第一、第二泵浦源产生第一泵浦光和第二泵浦光，接收的信号光和第一、第二泵浦光一起沿Z向耦合进硅基波导2；
步骤2、简并四波混频效应
三束光在硅基波导2中发生三阶非线性效应，即简并四波混频效应；
本例硅基波导2的出射光包含新产生的与原信号光同波长的闲频光、原信号光和残留的泵浦光，闲频光与原信号光波长相同，相位相同，波矢量方向相同，但是偏振方向不同。闲频光与原信号光叠加的振幅大于原信号振幅，两者叠加后的出射光的偏振方向与泵浦光功率，信号光功率和三阶非线性介质器件的特性相关。
取三阶非线性介质器件长度为出射光功率最大时的最小周期尺寸。
步骤3、偏振控制
本例硅基波导2的出射光沿Z轴正向进入偏振控制器3，在其中出射光中的X、Y偏振分量变换到与偏振光分束器的主轴成45°，即使光束的X、Y偏振分量变换到与偏振光分束器晶体的矢量坐标系夹角为45°。
步骤4、偏振光的分束与合束
偏振控制器3出射的光束45°入射偏振分束器4的分光面，按偏振方向分为两路光，两路光分别经过反射镜组5的多次反射后又在偏振分束器4合束输出。
本例接收的信号光偏振方向与X方向相同，偏振光分束器4输出光的偏振方向与接收的信号光的偏振方向相同。
硅基波导2出射的光束沿Z轴正向45°入射偏振分束器4的分光面，透射的X方向偏振光(如图1中点虚线)依次经第三反射镜③、第二反射镜②和第一反射镜①的三次反射后，沿X轴负向45°入射偏振分束器4的分光面并又被透射出来，透射光朝X轴负向传送；而被分光面反射的Y方向偏振光经过反射镜组5的第一反射镜①、第二反射镜②和第三反射镜③的三次反射后，沿Z轴负向45°入射偏振分束器4的分光面的反面并再次被反射，反射光朝X轴负向传送；朝X轴负向传送的X方向偏振光和Y方向偏振光合为一束光。
步骤5、放大信号光的输出
偏振分束器4输出的合束光经过与XZ面垂直、与分束面成45°的滤光器6的滤光面，滤除泵浦光，透过信号光和闲频光，经滤光器6后的出射光为本放大器的输出光。
本发明实施例的具体效果如图3所示，图3上所示为无噪声的原始信号光的电场时域曲线图，初始相位φ0＝0，本图横坐标为时间T，单位为皮秒ps,纵坐标为归一化的电场时域值E，单位为W1/2/m(瓦开方再除以米)。图3中所示为经传输后带有无噪声的本放大器接收的信号光的电场时域曲线图，此时初始相位
φ0＝0+φnoise，纵横坐标与上图相同。图3下所示为经本放大器实施例放大后输出的信号光的电场时域曲线图，此时初始相位φ0＝0，纵横坐标与上图相同。由图3的上中下三曲线图可见，本放大器实施例接收信号光的相位噪声φnoise经过本放大器之后被完全抑制，恢复初始相位为0。输出信号振幅为sprt(4.4)没有出现波动，即本放大器没有引入振幅噪声，本例接收的信号光功率为仅1mw，振幅为sqrt(Pin)，相位噪声为在[-0.4,0.4]rad均匀分布的加性噪声。本例放大器输出光功率达4.4mw，振幅为sqrt(Pout)，接收的小功率信号得到了放大，相位噪声得到抑制的同时，没有出现振幅的波动，即没有引入振幅噪声。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种相位敏感光学参量放大器，包括信号光、泵浦光源和反射镜，其特征在于：
还有三阶非线性介质器件、偏振控制器、偏振分束器和滤光器,接收到的信号光和本地激光源发出的第一泵浦光、第二泵浦光三个光束的波数满足矢量三角形关系，以每束光传播方向为光矢量方向，三束光满足ks＝(kp1+kp2)/2)，ks,kp1和kp2分别表示信号光、第一泵浦光和第二泵浦光的波数；所述三束光接入三阶非线性介质器件发生简并四波混频效应，由三阶非线性介质器件出射的光束沿Z向接入偏振控制器，控制X，Y方向的偏振分量变换到与偏振光分束器的主轴成45°，之后送到偏振分束器，偏振分束器的分光面垂直于XZ面，与ZX平面成45°，分光面透射X方向偏振光或Y方向偏振光，而偏振方向与透射光偏振方向垂直的偏振光被分光面反射；所述反射镜组包括3块平面反射镜，均与XZ面垂直，三镜构成冂形，相对的两块反射镜与射偏振分束器的分束面平行，处于冂形顶部的一块反射镜与分束面垂直；光经过偏振分束器后按偏振方向分为两路，两路光分别经过反射镜组的多次反射后又在偏振分束器合束，之后经过滤光面与XZ面垂直、与分束面成45°的滤光器输出，为本放大器的输出；
所述接收的信号光波长为λs，第一泵浦光的波长为λp1，第二泵浦光的波长为λp2，它们满足能量守恒关系ωs＝(ωp1+ωp2)/2，ωs，其中ωp1和ωp2分别表示信号光、第一泵浦光、第二泵浦光的频率；同时这三束光的初始相位满足相位锁定；第一泵浦光的偏振方向为X方向，第二泵浦光的偏振方向为Y方向，信号光的偏振方向在X、Y方向上的投影分别为Sx与Sy；信号光的偏振方向与X或Y方向的夹角小于10°。
2.根据权利要求1所述的相位敏感光学参量放大器，其特征在于：
所述信号光的偏振方向与X或Y方向的夹角小于5°。
3.根据权利要求1所述的相位敏感光学参量放大器，其特征在于：
所述信号光的偏振方向与X或Y方向的夹角小于1°。
4.根据权利要求1所述的相位敏感光学参量放大器，其特征在于：
所述信号光的偏振方向为X方向或Y方向。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的相位敏感光学参量放大器，其特征在于：
所述三阶非线性介质器件为硅基波导、锗波导、砷化镓波导或和非线性光纤中的任一种。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的相位敏感光学参量放大器，其特征在于：
所述射偏振分束器的分束面插入反射镜组冂形底部；且所述偏振分束器的分束面插入反射镜组冂形底部的边与冂形顶部反射镜的距离为冂形竖直部分长度的1/3至1/2。
7.根据权利要求6所述的相位敏感光学参量放大器，其特征在于：
所述冂形反射镜组以偏振分束器的分束面所处平面为左右对称面。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的相位敏感光学参量放大器，其特征在于：
所述滤波器的带宽由第一、第二泵浦光波长λp1、λp2,和信号光波长λs决定，信号光波长λs为滤波器中心波长，第一、第二泵浦光λp1、λp2处于滤波器带宽范围之外。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的相位敏感光学参量放大器的运行方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、三束光耦合进三阶非线性介质器件
输入的信号光被接收，本地泵浦源产生第一泵浦光和第二泵浦光，接收的信号光和第一、第二泵浦光一起沿Z向耦合进三阶非线性介质器件；
步骤2、简并四波混频效应
三束光在三阶非线性介质器件中发生三阶非线性效应，即简并四波混频效应；
所述三阶非线性介质器件的出射光包含新产生的与原信号光同波长的闲频光、原信号光和残留的泵浦光，闲频光与原信号光波长相同，相位相同，波矢量方向相同，但是偏振方向不同；闲频光与原信号光叠加的振幅大于原信号振幅，两者叠加后的出射光的偏振方向与泵浦光功率，信号光功率和三阶非线性介质器件的特性相关；
取三阶非线性介质器件长度为出射光功率最大时的最小周期尺寸；
步骤3、偏振控制
所述三阶非线性介质器件的出射光沿Z轴正向进入偏振控制器，在其中出射光中的X、Y偏振分量变换到与偏振光分束器的主轴成45°，即使光束的X、Y偏振分量变换到与偏振光分束器晶体的矢量坐标系夹角为45°；
步骤4、偏振光的分束与合束
偏振控制器出射的光束45°入射偏振分束器的分光面，按偏振方向分为两路光，两路光分别经过反射镜组的多次反射后又在偏振分束器合束输出；
步骤5、放大信号光的输出
偏振分束器输出的合束光经过与XZ面垂直、与分束面成45°的滤光器的滤光面，滤除泵浦光，透过信号光和闲频光，经滤光器后的出射光为本放大器的输出光。
10.根据权利要求9所述的相位敏感光学参量放大器的运行方法，其特征在于：
所述步骤4中，当接收的信号光偏振方向与X或Y方向相同，偏振分束器合束输出光的偏振方向与接收的信号光的偏振方向相同。
11.根据权利要求9所述的相位敏感光学参量放大器的运行方法，其特征在于：
所述步骤4中，3块平面反射镜中处于分束面上方的为第一反射镜，与分束面垂直的为第二反射镜，处于分束面下方的为第三反射镜，三阶非线性介质器件出射的光束沿Z轴正向45°入射偏振分束器的分光面，透射光依次经第三、第二、和第一反射镜的三次反射后，沿X轴负向45°入射偏振分束器的分光面并又被透射出来，透射光朝X轴负向传送；而被分光面反射的光经过反射镜组的第一、第二和第三反射镜的三次反射后，沿Z轴负向45°入射偏振分束器的分光面的反面并再次被反射，反射光朝X轴负向传送；朝X轴负向传送的透射光和反射光合为一束光。
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