CN111443547B - 一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器 - Google Patents

一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器，用等强度、频率间隔为前向受激布里渊散射频移的多波长待转换光波，入射进转换介质以激发前向声场。本发明选择大有效面积光纤作为多波长转换的工作介质。在大有效面积光纤内，待转换光波激发的前向声场会与目标波长光波发生声光相互作用，实现对目标波长光波的相位调制，并最终将多波长待转换光波的中心波长转换到目标波长。此波长转换系统具有高输出稳定性、信号格式高透明性和转换波长可调谐性，同时有较高的转换效率。本发明的高转换效率、偏振无关性、低传输损耗和高温度稳定性，在大容量全光波分复用传输系统中具有潜在的应用价值。

Description

一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转 换器
技术领域
本发明属于用于波分复用系统的全光型波长转换技术领域，具体涉及一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器。
背景技术
随着通信容量需求的不断增加，密集波分复用技术逐渐成为超大容量光纤传输最有效的实现方案，而波分复用网络中至为关键的器件则是波长转换器，它可以实现光开关、光交换和光波长路由等功能。目前，波长转换器按照原理最常用的是两类：基于半导体光放大器(SOA)的波长转换器和基于光纤四波混频(FWM)的波长转换器。
然而，基于SOA的波长转换器受制于自身的工作机制，很难实现信号格式的严格透明。在后期的数据处理中需要额外的信号处理手段来恢复原始信号格式，这会增加光通信系统的复杂程度同时造成信号信噪比的降低。尽管基于FWM的波长转换器能够实现信号格式的透明，但实际应用中高转换效率和大转换波长范围的要求，迫使其必须使用高非线性系数、低色散的转换介质以及较短的工作距离来解决泵浦光波和目标波长光波之间的相位失配问题。因此，高非线性光纤(HNLF)和光子晶体光纤(PCF)被广泛应用于基于FWM的波长转换器中。然而，受制于FWM的偏振相关特性以及HNLF和PCF中后向受激布里渊散射效应(BSBS)，传统的基于FWM的多波长可调谐波长转换器的转换效率很难达到-15dB。更重要的是，HNLF和PCF转换介质本身具有较大的传输损耗，且与普通单模传输光纤互连时，由于模场失配会引入更大的耦合损耗，这些损耗都会严重影响密集波分复用传输系统的信噪比。另外，HNLF和PCF造价普遍较为昂贵，不适合大范围、长距离波长转换。因此，理想的波长转换器应具有对信号格式透明、高转换效率、偏振无关、大波长转换范围、高输出稳定性且与单模传输光纤低耦合损耗等特点。
本发明针对全光型波长转换器，设计了一种基于前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器，充分利用大有效面积光纤中前向受激布里渊散射声光特性及其偏振无关性、低损耗及低色散特性，实现了高转换效率、高稳定输出的多波长可调谐波长转换。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器，转换效率高、输出稳定性高，可应用于大容量全光波分复用传输系统。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器，包括待转换多波长光源、光隔离器、目标波长光源、偏振控制器、第一光耦合器、第二光耦合器、转换介质、第一带通滤波器、第二带通滤波器、光电探测器和数据采集处理系统；
所述待转换多波长光源和目标波长光源分别产生多波长待转换光波和目标波长光波；
所述多波长待转换光波经过光隔离器和第一光耦合器后入射进转换介质以激发前向声场；
所述第一光耦合器、转换介质、第一带通滤波器、第二光耦合器和第二带通滤波器顺次连接组成萨格纳克环；
目标波长光波经偏振控制器、第二光耦合器入射进萨格纳克环中；
在转换介质内，多波长待转换光波激发的振动声场与目标波长光波发生声光相互作用，实现对目标波长光波的相位调制；
在萨格纳克环内，第一带通滤波器和第二带通滤波器透过波长均与目标波长相匹配，将待转换光波限制于转换介质内，同时隔离待转换光波产生的后向受激拉曼散射和后向受激布里渊散射；
而目标波长光波在萨格纳克环内沿第二带通滤波器、第一光耦合器、转换介质和第一带通滤波器，在转换介质内受到多波长待转换光波激发声场的声光相位调制，实现波长转换；
经波长转换后的目标波长光波依次经过第二光耦合器和光电探测器，最终转换为可供处理分析的电信号，由数据采集处理系统接收。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的待转换多波长光源为等强度、等频率间隔的多波长光源。。
上述的待转换多波长光源的频率间隔为光纤前向受激布里渊散射最高峰值共振频率。
上述的转换介质为大有效面积光纤。
上述的目标波长光源为波长可调谐的窄线宽半导体激光器。
上述的第二光耦合器为2×2光耦合器。
本发明具有以下有益效果：
与传统基于SOA和FWM波长转换器相比，本发明设计具有转换信号格式透明的特性，同时充分利用光纤前向受激布里渊散射的声光特性实现波长转换，可实现高转换效率、高稳定输出且低传输损耗的多波长可调谐波长转换。本发明可有效用于大容量全光波分复用传输系统。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为基于前向受激布里渊散射的多波长转换器的原理示意图。
图3为波长转换系统相关频谱测试结果(光波的频率表示为ν)，其中多波长待转换光波的中心波长为1549.8nm，其对应的频率表示为ν0；目标光波中心波长为1550.181nm，其对应的频率表示为ν0’。
图3中，(a)为五波长待转换光波频谱(ν-ν0)图，(b)为五波长待转换光波频谱(ν-ν0)中心部分放大图，(c)为被调制的五波长目标光波频谱(ν-ν0’)图，(d)为被调制的五波长目标光波频谱(ν-ν0’)中心部分放大图。
图4为已实现波长转换的输出光波光谱图，及光纤前向受激布里渊散射最高峰值共振频率(222.9MHz)处波长转换过后的输出光波和输入待转换光波线宽比较图。
图4中，(a)已实现波长转换的输出光波光谱图，(b)为222.9MHz处波长转换过后的输出光波和输入待转换光波线宽比较图，光波频率以ν-ν0’表示。
图5为已实现波长转换的目标光波和待转换光波电压信号图。
图6为改变目标波长后被调制的五波长目标光波频谱(ν-ν0’)图及其中心部分放大图。
图6中，(a)为改变目标波长后被调制的五波长目标光波频谱(ν-ν0’)图，(b)为(a)的中心部分放大图，目标光波中心波长为1549.972nm。
图7为改变目标波长为1549.972nm后的多波长转换光谱图，以及改变目标波长后222.9MHz处的输出光波和输入待转换光波线宽比较图。
图7中，(a)改变目标波长为1549.972nm后的输出光波光谱图，(b)为改变目标波长后222.9MHz处的输出光波和输入待转换光波线宽比较图，光波频率以ν-ν0’表示。
图8为多波长转换器总输出功率随时间变化图。
图9为不同m的前向声学模式(R0,m)的温度响应图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参见图1，本发明的一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器，包括待转换多波长光源、光隔离器、目标波长光源、偏振控制器、第一光耦合器、第二光耦合器、转换介质、第一带通滤波器、第二带通滤波器、光电探测器和数据采集处理系统；
所述待转换多波长光源和目标波长光源分别产生多波长待转换光波和目标波长光波；
所述多波长待转换光波经过光隔离器和第一光耦合器后入射进转换介质以激发前向声场；
所述第一光耦合器、转换介质、第一带通滤波器、第二光耦合器和第二带通滤波器顺次连接组成萨格纳克环；
目标波长光波经偏振控制器、第二光耦合器入射进萨格纳克环中；
在转换介质内，多波长待转换光波激发的振动声场与目标波长光波发生声光相互作用，实现对目标波长光波的相位调制；
在萨格纳克环内，第一带通滤波器和第二带通滤波器透过波长均与目标波长相匹配，将待转换光波限制于转换介质内，同时隔离待转换光波产生的后向受激拉曼散射和后向受激布里渊散射；
而目标波长光波在萨格纳克环内沿第二带通滤波器、第一光耦合器、转换介质和第一带通滤波器，在转换介质内受到多波长待转换光波激发声场的声光相位调制，实现波长转换；
经波长转换后的目标波长光波依次经过第二光耦合器和光电探测器，最终转换为可供处理分析的电信号，由数据采集处理系统接收。
实施例中，上述的待转换多波长光源为等强度、等频率间隔的多波长光源。
实施例中，上述的待转换多波长光源的频率间隔为前向受激布里渊散射最高峰值共振频率。
实施例中，上述的转换介质为大有效面积光纤。
实施例中，上述的目标波长光源为波长可调谐的窄线宽半导体激光器。
实施例中，上述的第二光耦合器为2×2光耦合器。
本发明的工作原理如下：
具体的工作方式可以分为两步：
1).利用多波长待转换光波激发声场；
2).激发的声场对单频目标波长光波的声光相位调制。
参见图2，首先高功率的多波长待转换光波(中心频率ν0)和单频目标光波(中心频率为ν0’)从同一侧同时入射进大有效面积光纤。
多波长待转换光波包含2k+1个光波分量，其频率为νi(i＝-k,…,0,…,k,k为正整数)，两相邻波长之间的频率间隔为νm。其中νm为前向声学模式R0,m所对应的第m个前向受激布里渊散射共振峰的峰值频率。
此时，待转换光波的光波分量所对应的频率分别为ν0-kνm,…,ν0,…,ν0+kνm。
在光纤中，R0,m声学模式是由前向受激布里渊散射效应激发的径向声学模式，此声学模式散射效率强且具有角向对称性和偏振无关性，并可通过改变纤芯折射率分布引起声光相位调制。
因此，通过这些径向声学模式对同向传输目标波长光波的相位调制作用，单频目标波长光波将会被调制成中心频率为ν0’的多波长光波。
在转换介质的末端放置一个带通滤波器(BPF)，调节滤波通带与多波长目标光波中心频率ν0’相匹配，可实现目标波长光波的透过和待转换光波的阻隔。
在输出末端，被调制的目标波长光波同样包含2k+1个光波分量且具有相同的频率间隔νm，故输出的转换光波分量所对应的中心频率分别为ν0’-kνm,…,ν0’,…,ν0’+kνm。
具体实施例为：
待转换光波光源的中心波长为1549.8nm，且具有等强度、等频率间隔的特性。其频率间隔为前向受激布里渊散射最高峰所对应的共振频率(νm＝222.9MHz)，随后入射进大有效面积光纤用于激发前向声场。
利用另一波长可调谐的窄线宽半导体激光器作为目标波长光源，经偏振控制器、2×2光纤耦合器入射进萨格纳克环中。
在大有效面积光纤内，待转换光波激发的振动声场会与目标波长光波发生声光相互作用，实现对目标波长光波的相位调制。
在萨格纳克环内，采用两个带通滤波器(3dB透过带宽为3.5GHz)的组合，滤波器透过波长与目标波长相匹配，可将待转换光波限制于大有效面积光纤内，同时可隔离待转换光波产生的后向受激拉曼散射(SSRS)和后向受激布里渊散射(SSBS)。
而目标波长光波可在萨格纳克环中传输，在转换介质内会受到多波长待转换光波激发声场的声光相位调制作用，实现多波长转换。
波长转换后的多波长光波经2×2光纤耦合器、光电探测器，最终变为电信号进行处理分析。
如图3中，多波长待转换光波频谱如图3中(a)和(b)所示，五波长待转换光波的边模抑制比(SMSR)约22.3dB，且光波分量之间的强度差小于1.4dB。可将±3阶及更高阶谐波视为噪声，五波长待转换光波视为信号光，按照信噪比公式可得五波长待转换光波的信噪比(SNR)为25.5dB。波长转换过后的目标波长光波频谱如图3中(c)和(d)所示，五波长目标波长光波的SMSR可达22dB且信号光强度之差小于1.5dB，同理可得其SNR为25.2dB。相较于待转换光波，SNR和SMSR分别都只有0.3dB的损失。从图3(a)～3(d)可以看出，基于前向受激布里渊散射的多波长转换器可在频谱上有效地实现信号格式的透明性。
如图4中(a)所示，调节目标波长至1550.181nm，在输出端经带通滤波器的滤波，已实现波长转换的目标波长光波相较待转换光波抑制比可高达40dB。如图4中(b)所示，待转换光波和已实现转换的目标波长光波在222.9MHz(ν-ν0’)处的半高全宽(FWHM)基本相等，约10kHz。
另外，可从时域测试结果来评估此多波长转换器的性能。如图5所示，已实现波长转换后的目标波长光波与待转换光波可在波形上保持一致。同时可以看到，以实现波长转换的目标波长光波与待转换光波会有60.91°的相位延迟，这是声光相位调制的结果。
此多波长转换器具有良好的可调谐特性。如图6和图7所示，将目标光波的中心波长调至1549.972nm，五波长目标波长光波的SMSR可达22.1dB且信号光强度之差小于1.4dB，同理可得五波长目标波长光波的SNR可达25.3dB。相较于五波长待转换光波，SNR和SMSR分别都只有0.2dB的损失。同时，系统仍可保持42dB的待转换光波抑制比，且待转换光波和已实现转换的目标光波在222.9MHz(ν-ν0’)处的半高全宽(FWHM)基本相同，约10kHz。由此说明，基于前向受激布里渊散射的多波长转换器具有良好的转换波长可调谐特性。另外，为探究此波长转换器的转换波长范围，需考虑光纤内的脉冲走离效应。以10-Gb/s的非归零(NRZ)系统为例，在考虑走离效应的情况下，转换波长范围可达50nm。宽转换波长范围得益于大有效面积光纤在1550nm处较低的色散系数(D＝2.1ps·nm-1·km-1)。
如图8所示，在60分钟内，以5分钟作为时间间隔测试其总输出功率稳定性。测试发现，总输出功率的最大起伏小于0.24dB，说明基于前向受激布里渊散射的多波长转换器具有高功率输出稳定性，适合进行长时间工作。另外，根据波长转化器转换效率的定义(接收到的目标波长信号功率和待转换光波信号功率之比)，此波长转换器的转换效率为-12.15dB。与传统基于FWM的多波长转换器最高转换效率(-14.7dB)相比，可实现超过2.5dB的转换效率提升。
通过测试R0,m的温度响应来说明基于前向受激布里渊散射的多波长转换器的温度稳定性。如图9所示，R0,5模式的温度响应只有0.02MHz/℃且最大温度响应R0,16模式也只有0.07MHz/℃。可见，此多波长转换器具有高温度稳定性。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器，其特征在于，包括待转换多波长光源、光隔离器、目标波长光源、偏振控制器、第一光耦合器、第二光耦合器、转换介质、第一带通滤波器、第二带通滤波器、光电探测器和数据采集处理系统；
所述待转换多波长光源和目标波长光源分别产生多波长待转换光波和目标波长光波；
所述多波长待转换光波经过光隔离器和第一光耦合器后入射进转换介质以激发前向声场；
所述第一光耦合器、转换介质、第一带通滤波器、第二光耦合器和第二带通滤波器顺次连接组成萨格纳克环；
目标波长光波经偏振控制器、第二光耦合器入射进萨格纳克环中；
在转换介质内，多波长待转换光波激发的振动声场与目标波长光波发生声光相互作用，实现对目标波长光波的相位调制；
在萨格纳克环内，第一带通滤波器和第二带通滤波器透过波长均与目标波长相匹配，将待转换光波限制于转换介质内，同时隔离待转换光波产生的后向受激拉曼散射和后向受激布里渊散射；
而目标波长光波在萨格纳克环内沿第二带通滤波器、第一光耦合器、转换介质和第一带通滤波器，在转换介质内受到多波长待转换光波激发声场的声光相位调制，实现波长转换；
经波长转换后的目标波长光波依次经过第二光耦合器和光电探测器，最终转换为可供处理分析的电信号，由数据采集处理系统接收；
所述待转换多波长光源为等强度、等频率间隔的多波长光源；
所述转换介质为大有效面积光纤。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器，其特征在于，所述待转换多波长光源的频率间隔为光纤前向受激布里渊散射最高峰值共振频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器，其特征在于，所述目标波长光源为波长可调谐的窄线宽半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤前向受激布里渊散射的多波长可调谐波长转换器，其特征在于，所述第二光耦合器为2×2光耦合器。
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Electro-opto-mechanical radio-frequency oscillator driven by guided acoustic waves in standard single-mode fiber;Yosef London 等;《APL PHOTONICS》;20170309;第2卷;第041303-2页到第041303-6页 *

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CN111443547A (zh) 2020-07-24

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