CN113126387B - 一种基于周期性极化型铌酸锂晶体的全光可调谐多通道滤波器 - Google Patents

一种基于周期性极化型铌酸锂晶体的全光可调谐多通道滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于周期性极化型铌酸锂晶体的全光可调谐多通道滤波器，属于光通信和微波光子学领域。本发明利用周期性极化型铌酸锂晶体的二阶非线性效应中的和频效应来实现对信号的滤波，并通过输入多个波长的泵浦光可实现多通道的同时滤波，滤波通道的中心波长和消光比可实现全光的调谐，各通道的调谐特性各自独立、不相互影响，具有结构简单、多通道同时滤波、调谐方便等特点。

Description

一种基于周期性极化型铌酸锂晶体的全光可调谐多通道滤 波器
技术领域
本发明属于光通信和微波光子学领域，特别涉及一种基于周期性极化型铌酸锂晶体的全光可调谐多通道滤波器。
背景技术
在光通信和微波光子领域，常常会使用光纤作为物理介质来进行信息的传输，形成光纤通信网或着光纤微波光子系统。在这些传输应用中，使用波分复用技术能在有限的物理介质上极大地扩宽传输的信号带宽。信号传输的过程中，经常会需要对调制在光上的通信信号或微波信号进行处理，比如滤波就是一种常见的信号处理。传输中间节点处的传统的处理方法是，将光信号转换为电信号，在电域处理后，再转换成光信号继续进行传输。这种方法由于需要经历光-电-光的过程，而电域的器件又受到“电子瓶颈”的限制，将极大地限制系统的传输带宽。
如果能够在光域上对信号直接进行滤波，且带宽能满足高速通信信号或微波光子的滤波需求，尤其是对多个通道上的信息能实现同时滤波并且每个通道还能够独立地进行调谐，那么对于光通信系统和微波光子系统的发展将起到极大的促进作用。传统的光学滤波器可以通过用压电效应、声光效应等物理机制或者微型光机电系统来实现可调谐的功能，但这一类滤波器的调谐速度受到机械运动或声波速度的限制。事实上，介质中的非线性光学效应也可以用来对光信号进行滤波。在许多光学非线性效应中，新频率光波的产生往往需要对输入的信号光能量进行消耗。由于非线性过程中频率和相位匹配条件的要求，当信号光频率发生失谐时，非线性转换的效率下降，此时信号光能量的消耗也随之减少。利用这种效应，可方便地构造出以信号光波长为中心频率的光学陷波滤波器，并通过对泵浦光的调控来实现多个通道的灵活调谐。
发明内容
基于上述的思路，本发明利用周期性极化型铌酸锂晶体中的和频效应对输入信号光的消耗作用，提出了一种全光可调谐的带阻滤波器,通过注入多个波长的泵浦光来实现对多个通道的同时滤波,并通过对泵浦光波长和功率的控制来实现各个滤波通道中心波长和消光比的调谐，从而克服了现有光学带阻滤波器无法实现多通道全光可调谐的缺点。
本发明提供了一种多通道全光可调谐带阻滤波器的实现方式，其原理如图1所示，具体如下：输入到周期性极化型铌酸锂晶体中的波长分别为λs1,λs2…λsN的N组信号光和波长分别为λp1,λp2…λpN的N组泵浦光在满足相位匹配条件的情况下会发生和频效应，使得对应波长的信号光能量被消耗。当信号光波长偏离匹配波长也就是发生失谐时，相位匹配条件不再严格满足，即产生相位失配。随着波长偏离的增加，相位失配量会逐渐增大，和频效应逐渐减弱，对信号光能量的消耗也逐渐减少，从而在多个通道上形成了以对应的匹配信号光波长为中心波长的陷波滤波器。当某个通道对应的泵浦光波长改变时，与之匹配的信号光波长也会随之发生移动，从而实现了该滤波通道中心波长的可调谐。当某个通道所对应的泵浦光功率发生改变时，与之匹配的信号光能量的消耗量也会发生变化，这将引起该滤波通道消光比的改变，从而实现了消光比的可调谐。
本发明还提供了一种实现多通道全光可调谐带阻滤波器的装置图，其结构如图2所示，包括产生N组信号光的可调激光器(可调激光器1、可调激光器2……可调激光器N)和产生N组泵浦光的可调激光器(可调激光器N+1、可调激光器N+2……可调激光器2N)、合波器、周期性极化型铌酸锂晶体和光学滤波器等，其中每一组泵浦光的引入可以实现对应信号光波长上通道的滤波，通过增减泵浦光的数目实现滤波通道数目的增减。
本发明的有益效果是：利用周期性极化型铌酸锂晶体中的二阶和频效应来实现对信号光的滤波，通过注入多个泵浦光可实现多通道的同时滤波，通过改变某一路泵浦光的波长可实现对应滤波通道中心波长的全光调谐，通过改变某一路泵浦光的功率可实现对应滤波通道消光比的全光调谐。该系统的特点是，在单个的周期性极化型铌酸锂晶体上，通过对泵浦光的控制，方便地实现多通道的同时滤波，通道数可选，各滤波通道的中心波长和消光比均可独立地进行全光调谐，在光通信和微波光子领域可实现非常灵活的应用，并具有很强的实际可操作性。
附图说明
图1为本发明所采用的多通道可调谐滤波器的原理图。
图2为本发明所采用的多通道可调谐滤波器的装置图。
图3为本发明所公开的多通道可调谐滤波器实施例的仿真输出。
图4为本发明所公开的多通道可调谐滤波器实施例在中心波长调谐时的仿真输出。
图5为本发明所公开的多通道可调谐滤波器实施例在消光比调谐时的仿真输出。
具体实施方式
下面根据附图和实例对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，输入到周期性极化型铌酸锂晶体中的波长分别为λs1,λs2…λsN的N组信号光和波长分别为λp1,λp2…λpN的N组泵浦光在满足相位匹配条件的情况下会发生和频效应，使得对应波长的信号光能量被消耗。要实现有效的非线性和频效应，对应的第k组信号光和泵浦光之间需满足相应的频率条件和相位匹配条件分别为：
Figure BDA0002969607820000041
Figure BDA0002969607820000042
其中，Λ是周期性极化型铌酸锂晶体的极化周期，k代表的是输入信号光和泵浦光的组数。nsfk,nsk,npk分别是第k组和频光、信号光和泵浦光在晶体中的折射率；λsfk,λsk,λpk分别是第k组和频光、信号光和泵浦光对应的波长。
当泵浦光波长不变而信号光波长偏离匹配波长，也就是发生失谐时，相位匹配条件不再严格满足，即产生相位失配。随着波长偏离的增加，相位失配量会逐渐增大，和频效应逐渐减弱，对信号光能量的消耗也逐渐减少，从而在多个通道上形成了以对应的匹配信号光波长为中心波长的陷波滤波器。当某个通道对应的泵浦光波长改变时，与之匹配的信号光波长也会随之发生移动，从而实现了该滤波通道中心波长的可调谐。当某个通道所对应的泵浦光功率发生改变时，与之匹配的信号光能量的消耗量也会发生变化，这将引起该滤波通道消光比的改变，从而实现了消光比的可调谐。
在周期性极化型铌酸锂晶体中，只有波长对应的信号光和泵浦光才能满足和频所需的频率条件和相位匹配条件。波长不相对应的光波，如任意两组信号光之间、两组泵浦光之间以及不匹配的信号光和泵浦光之间，频率和相位的失配都非常大，因而不会发生有效的非线性和频效应。这样一来，和频过程只发生在对应的信号光和泵浦光之间，各滤波通道不会相互关联。通过对泵浦光的操控而对滤波器进行调谐时，各通道也能实现独立调谐，不会相互影响。
本发明所提供的多通道全光可调谐带阻滤波器的装置如图2所示，主要由2N个可调谐激光器、合波器、周期性极化型铌酸锂晶体和光学滤波器组成。通过可调激光器1、可调激光器2……可调激光器N输出波长分别为λs1,λs2…λsN的信号光，通过可调激光器N+1、可调激光器N+2……可调激光器2N输出波长分别为λp1,λp2…λpN的泵浦光。这些信号光和泵浦光通过合波器输入到周期性极化型铌酸锂晶体中，经过二阶光学非线性和频效应的作用后，通过光学滤波器将所有泵浦光滤除，最终得到经非线性作用滤波后各组信号光的输出。
需要说明的是，实际应用中，并不需要输入的泵浦光与信号光一一对应，只输入滤除信号光所需要的泵浦光即可，信号光和泵浦光的波长应该分别相位匹配波长的两侧。
实施例
图3、图4和图5给出了本发明所公开的多波长滤波器的一个实施例的仿真结果。在此实施例中，周期性极化型铌酸锂晶体的倍频准相位匹配波长为1556nm。图3给出了当输入的三个泵浦光波长分别为1560nm,1564nm和1569nm时，对应的输出信号光的透过率。从图上可知，该装置同时实现了1552nm,1547nm和1542nm这三个通道的陷波滤波，最大消光比达到-28.32dB。图4给出了通过改变泵浦光波长来实现全光调谐的输出结果。在图3的基础之上，将前两个泵浦光的波长分别调至1558nm和1565nm，而第三个泵浦光的波长保持在1569nm不变，则前两个通道的中心波长分别变为1554nm和1544nm，第三个通道的中心波长保持在1542nm不变。图5给出了输入泵浦光功率分别为30mW,45mW和60mW下对应的一个滤波通道的输出谱，可以看出信号光的消光比随着泵浦光功率的增大而增大，消光比可从6.6dB调节到28.32dB。

Claims (3)

1.一种基于周期性极化型铌酸锂晶体的全光可调谐多通道滤波器，其特征在于：本装置包括2N个可调激光器、合波器、周期性极化型铌酸锂晶体和光学滤波器；首先，通过N个可调激光器产生N个波长的信号光，另外N个可调激光器产生N个波长的泵浦光；然后通过合波器将这些光合为一路，也可以用耦合器替代；将合束后光耦合至周期性极化型铌酸锂晶体中，最后通过光学滤波器将所有泵浦光滤除，最终得到经非线性作用滤波后各组信号光的输出；其核心器件周期性极化型铌酸锂晶体是体材料的晶体或使用体材料制作的波导结构或使用铌酸锂薄膜材料制作的波导结构。
2.根据权利要求1所述的基于周期性极化型铌酸锂晶体的全光可调谐多通道滤波器，其特征在于：利用周期性极化型铌酸锂晶体中的和频效应，通过输入对应波长的泵浦光，消耗掉与之匹配通道上的信号光的能量，实现对信号光的滤波，多路泵浦光分别与各自对应的多路信号光独立地发生作用，使得该滤波器实现了多通道的同时滤波。
3.根据权利要求1所述的基于周期性极化型铌酸锂晶体的全光可调谐多通道滤波器，其特征在于：信号光滤波的通道数目由输入泵浦光的个数决定；通过改变某一通道对应的泵浦光波长，可实现该滤波通道中心波长的可调谐，且各通道可独立调谐，而不会影响其它通道的滤波和调谐特性；通过改变泵浦光的功率，则可以实现对应通道上消光比的可调谐，且各通道可独立调谐，而不会影响其它通道的滤波和调谐特性。
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