CN116149111A - 一种低差模增益的少模光参量放大器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种低差模增益的少模光参量放大器，涉及光通信技术领域。在该少模光参量放大器中，薄膜铌酸锂芯层、过渡层和基底从上至下依次层叠设置，通过对薄膜铌酸锂芯层进行预设的周期极化，补偿多个模间差频过程中的相位失配，在薄膜铌酸锂芯层制备并获得多极化周期薄膜铌酸锂光波导；将泵浦光和信号光注入至多极化周期薄膜铌酸锂光波导，基于二阶非线性差频效应，多极化周期薄膜铌酸锂光波导在单一模式泵浦光的作用下将信号光的多个信号光模式的光参量放大、并产生与信号光的模式一致的闲频光。该少模光参量放大器可以在保持低差模增益或零差模增益的前提下实现可控高增益的技术效果。
Description
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，具体而言，涉及一种低差模增益的少模光参量放大器。
背景技术
目前，在5G网络技术普及下，虚拟现实技术、3D直播和元宇宙等概念逐渐成为现实，这些场景极大地提高了信息容量的量级。不可否认，通信技术在21世纪取得了长足进步，但万物互联的生活场景也对所需的通信容量提出了更高的要求。在通信容量需求倍增的情况下，单模光纤容量资源面临枯竭，需采用模分复用以满足通信带宽需求。
现有技术中，少模光放大器是模分复用通信系统的关键技术，可以同时将携带不同空间模式和不同波长的信号进行放大，在延长传输距离的基础上降低模分复用系统的每比特成本。现有的光放大器技术包括掺铒光纤放大器、拉曼放大器、半导体放大器和光参量放大器。光参量放大器可以在任意中心波长处实现宽带平坦增益和超低噪声放大，展现出了巨大的潜力。在光参量放大器领域内，相比光纤光参量放大器，基于周期极化铌酸锂（PPLN）光波导的光参量放大器具备宽带、低噪声、低串扰和集成度高等优势。然而目前基于PPLN光波导的光参量放大器只针对单模光纤通信系统设计，不适用于模分复用信号的放大，因而有必要针对模分复用系统开发一种少模光参量放大器，支持长距离的模分复用传输。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种低差模增益的少模光参量放大器，可以在保持低差模增益或零差模增益的前提下实现可控高增益的技术效果。
本申请实施例提供了一种低差模增益的少模光参量放大器，所述少模光参量放大器包括多个极化周期域的薄膜铌酸锂光波导，所述薄膜铌酸锂光波导包括薄膜铌酸锂芯层、光波导过渡层和基底；
所述薄膜铌酸锂芯层、所述过渡层和所述基底从上至下依次层叠设置，通过对所述薄膜铌酸锂芯层进行预设的周期极化，补偿多个模间差频过程中的相位失配，在所述薄膜铌酸锂芯层制备并获得多极化周期薄膜铌酸锂光波导；
将泵浦光和信号光注入至所述多极化周期薄膜铌酸锂光波导，基于二阶非线性差频效应，所述多极化周期薄膜铌酸锂光波导在所述单一模式泵浦光的作用下将所述信号光的多个信号光模式的光参量放大、并产生与所述信号光的模式一致的闲频光。
在上述实现过程中，该少模光参量放大器在维持周期极化薄膜铌酸锂光波导具备光参量放大的小型化、易于集成和功耗低等优势的前提下，利用多极化周期薄膜铌酸锂光波导来实现多个模内和模间差频过程，即实现多个模式的信号光放大，基于少模薄膜铌酸锂光波导的极化周期域长度的优化，在单一模式、单一频率的泵浦光作用下即可获得对信号光高增益的少模光参量放大性能；同时，该少模光参量放大器通过优化极化周期域长度，可实现低差模增益甚至零差模增益的性能，即在实现可控高增益的同时还能保持低差模增益甚至零差模增益的优秀性能；从而，该少模光参量放大器可以在保持低差模增益或零差模增益的前提下实现可控高增益的技术效果。
进一步地，根据所述泵浦光和信号光确定所述薄膜铌酸锂光波导中不同极化周期域的长度。
在上述实现过程中，通过优化不同极化周期域的长度可实现低差模增益，在放大带宽的中心波长处差模增益可达到接近于零的表现。
进一步地，所述少模光参量放大器的极化周期满足预设公式，所述预设公式为：
k p－k s－k i－(2π/Λ)＝0；
其中，k表示为对应光波的传输常数，p表示为泵浦光，s表示为信号光，i表示为闲频光，Λ表示为所述多极化周期薄膜铌酸锂光波导对应极化周期域的极化周期大小。
进一步地，所述少模光参量放大器还包括信号模分复用机构，所述信号模分复用机构设置于所述少模光参量放大器的输入端，用于将多个模式的光信号复用到一根光纤。
进一步地，所述少模光参量放大器还包括波分复用器件，所述波分复用器件设置于所述少模光参量放大器的输入端，用于将信号光和泵浦光的光信号复用成一路信号。
进一步地，所述少模光参量放大器还包括光滤波器，所述光滤波器设置于所述少模光参量放大器的输出端，用于滤除泵浦光及闲频光。
进一步地，所述少模光参量放大器还包括信号模分解复用器件，所述信号模分解复用器件设置于所述少模光参量放大器的输出端，用于将经过所述光滤波器滤波后的信号光进行解复用以得到不同模式下的信号光。
进一步地，所述薄膜铌酸锂芯层为脊形单晶铌酸锂的少模光波导。
进一步地，所述薄膜铌酸锂芯层为矩形单晶铌酸锂的少模光波导。
进一步地，所述薄膜铌酸锂芯层还包括复合材料层，所述复合材料层加载于所述矩形单晶铌酸锂的表面。
本申请公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请公开的上述技术即可得知。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的基于二阶光学非线性的（模间）差频效应的原理示意图；
图2为本申请实施例提供的一种低差模增益的少模光参量放大器的结构截面图；
图3为本申请实施例提供的一种低差模增益的少模光参量放大器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的脊形单晶铌酸锂的少模光波导的结构截面图；
图5为本发明实施例提供的脊形单晶铌酸锂的少模光波导的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的复合材料脊形单晶铌酸锂的少模光波导的结构截面图；
图7为本发明实施例提供的复合材料脊形单晶铌酸锂的少模光波导的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的少模光参量放大器信号增益和光波导长度的关系曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分（具体的种类和构造可能相同也可能不同），并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
本申请实施例提供一种低差模增益的少模光参量放大器，可以应用于模分复用通信系统中；该少模光参量放大器在维持周期极化薄膜铌酸锂光波导具备光参量放大的小型化、易于集成和功耗低等优势的前提下，利用多极化周期薄膜铌酸锂光波导来实现多个模内和模间差频过程，即实现多个模式的信号光放大，基于少模薄膜铌酸锂光波导的极化周期域长度的优化，在单一模式、单一频率的泵浦光作用下即可获得对信号光高增益的少模光参量放大性能；同时，该少模光参量放大器通过优化极化周期域长度，可实现低差模增益甚至零差模增益的性能，即在实现可控高增益的同时还能保持低差模增益甚至零差模增益的优秀性能；从而，该少模光参量放大器可以在保持低差模增益或零差模增益的前提下实现可控高增益的技术效果。
请参见图1至图3，图1为本申请实施例提供的基于二阶光学非线性的（模间）差频效应的原理示意图；图2为本申请实施例提供的一种低差模增益的少模光参量放大器的结构截面图，图3为本申请实施例提供的一种低差模增益的少模光参量放大器的结构示意图；该少模光参量放大器包括多个极化周期域的薄膜铌酸锂光波导，薄膜铌酸锂光波导包括薄膜铌酸锂芯层100、光波导过渡层200和基底300。
示例性地，薄膜铌酸锂芯层100、过渡层200和基底300从上至下依次层叠设置，通过对薄膜铌酸锂芯层100进行预设的周期极化，补偿多个模间差频过程中的相位失配，在薄膜铌酸锂芯层100制备并获得多极化周期薄膜铌酸锂光波导。
示例性地，将泵浦光和信号光注入至多极化周期薄膜铌酸锂光波导，基于二阶非线性差频效应，多极化周期薄膜铌酸锂光波导在单一模式泵浦光的作用下将信号光的多个信号光模式的光参量放大、并产生与信号光的模式一致的闲频光。
可选地，本申请实施例中二阶非线性差频效应指的是：基于二阶光学非线性的（模间）差频效应；信号光指的是少模信号光，闲频光指的是少模闲频光。
在一些实施方式中，如图1所示，本申请实施例以含3个极化周期的薄膜铌酸锂光波导为例（极化周期分别为L1、L2、L3），阐述基于多极化周期薄膜铌酸锂光波导的少模光参量放大器工作原理，但应该清楚本申请中不限于该极化周期域数量的薄膜铌酸锂光波导；
本申请中所提及的泵浦光采用携带基模的光信号，这是从基模作为泵浦光源获取较易和基模泵浦光与器件耦合效率高等方面的考量，理论上携带基模的泵浦光在其他初始条件相同的情况下具备最高的增益性能，但应该清楚本申请实施例中的泵浦光不限于携带基模的泵浦光；
如图1所示，将含固定波长及单一模式的泵浦光和携带多个模式的信号光，同时注入到成功制备的多极化周期薄膜铌酸锂光波导中。对于少模光波导中将进行的（模间）差频过程而言，该光波导中不同的极化周期域刚好可以补偿特定的（模间）差频过程中的相位失配，从而在每一个极化周期域内会发生如下现象：泵浦光和与该极化周期域匹配的信号光共同作用将会产生与信号光模式一致的闲频光，同时泵浦光的能量也逐渐转移到该信号光和闲频光，最后在该极化周期域末端将得到放大后的信号光。
示例性地，本申请实施例提供的一种低差模增益的少模光参量放大器，基于少模薄膜铌酸锂光波导的极化周期域长度的优化，在单一模式、单一频率的泵浦光作用即可获得高增益的少模光参量放大性能；它同时实现低差模增益甚至零差模增益的性能，低差模增益在此处指理论差模增益可通过优化极化周期域长度来达到最小化（在中心波长处甚至接近于零的差模增益）；多个极化周期域的薄膜铌酸锂光波导，基于商业化的薄膜铌酸锂晶圆，含薄膜铌酸锂芯层100、过渡层200和基底300，对薄膜铌酸锂芯层100进行相应的周期极化——补偿多个（模间）差频过程中的相位失配，即可制备出多极化周期的薄膜铌酸锂光波导；单一模式泵浦光、少模信号光被同时注入到多极化周期薄膜铌酸锂光波导，基于非线性光学中的二阶非线性（模间）差频效应，该少模光波导在强泵浦光作用下能同时实现多个信号光模式的光参量放大和与信号光模式一致的闲频光产生；
对于本申请实施例提供的低差模增益的少模光参量放大器，在维持周期极化薄膜铌酸锂光波导具备光参量放大的小型化、易于集成和功耗低等优势的前提下，利用多极化周期薄膜铌酸锂光波导来实现多个模内和模间差频过程，即实现多个模式的信号光放大；在实现可控高增益的同时还能保持低差模增益甚至零差模增益的优秀性能。
示例性地，根据泵浦光和信号光确定薄膜铌酸锂光波导中不同极化周期域的长度。
示例性地，通过优化不同极化周期域的长度可实现低差模增益，在放大带宽的中心波长处差模增益可达到接近于零的表现。
示例性地，将含固定波长及单一模式的泵浦光和携带多个模式的信号光，同时注入到成功制备的多极化周期薄膜铌酸锂光波导中。对于少模光波导中将进行的（模间）差频过程而言，该光波导中不同的极化周期域刚好可以补偿特定的（模间）差频过程中的相位失配，从而在每一个极化周期域内会发生如下现象：泵浦光和与该极化周期域匹配的信号光共同作用将会产生与信号光模式一致的闲频光，同时泵浦光的能量也逐渐转移到该信号光和闲频光，最后在该极化周期域末端将得到放大后的信号光。
在一些实施方式中，多极化周期薄膜铌酸锂光波导的极化周期可以补偿（模间）差频过程中的相位失配，即所谓的准相位匹配技术，通过对薄膜铌酸锂光波导的铌酸锂铁电畴方向进行周期性地反转，来补偿非线性过程中的相位失配，即本申请提及的每一（模间）差频过程均满足以下关系式（少模光参量放大器的极化周期满足预设公式）：
k p－k s－k i－(2π/Λ)＝0；
其中，k表示为对应光波的传输常数，p表示为泵浦光，s表示为信号光，i表示为闲频光，Λ表示为多极化周期薄膜铌酸锂光波导对应极化周期域的极化周期大小；其中，多极化周期薄膜铌酸锂光波导的输出端可灵活通过增加滤波器与否来控制泵浦光、信号光和闲频光的输出。
示例性地，从量子光学的角度来看，模间差频效应跟模内差频效应的原理是一致的，即一个泵浦光子湮灭的同时伴随着一个信号光子和一个闲频光子的产生，整个过程中仅是由于模间差频效应所涉及的光波模式不是一致，所以这三者间的光波频率ω（p表示为泵浦光，s表示为信号光，i表示为闲频光）依旧符合能量守恒定律，满足如下关系式：
ω p = ω s+ω i；
可选地，本申请实施例中的（模间）差频效应，应该是包含一个特定的模内差频效应在内的，因为信号光能携带与泵浦光相同的模式，此时在光波导的对应极化周期域内进行的差频过程属于模内差频效应；
示例性地，在少模光波导中，对于不同的（模间）差频过程而言，由于它们的非线性系数和不同模式组合的模场耦合因子差异，不同模间差频过程的非线性转换效率从本质上就存在差异。但值得关注的是，由于少模光波导中不同模间差频过程仅在其达到相位匹配的极化周期域中进行，所以本发明公开了一种通过对少模光波导的极化周期域长度进行优化来实现低差模增益的少模光参量放大机制：
在泵浦光足以用来实现少模光参量放大的前提下，在已知少模光参量放大的增益目标后，先确定该泵浦光功率下实现该增益的第一段光波导极化周期域长度(L1)，然后通过优化少模光波导后续部分的极化周期域长度来实现所有少模信号间的低差模增益，如图1所示的极化周期域长度L2、L3；
进一步地，如果综合泵浦光的泵浦消耗及传输损耗和少模信号的传输损耗的考虑，本发明依旧仅需要通过优化该少模光波导中所有的极化周期域长度即可实现低差模增益的少模光参量放大。
本申请实施例所采用的多极化周期的薄膜铌酸锂光波导如图2、图3所示，基于商业化的薄膜铌酸锂晶圆，该少模光波导含薄膜铌酸锂芯层1002、过渡200层和基底300。光波导中的过渡层200和基底300可根据系统集成需求进行个性化定制，以便于其他光子器件进行一体化集成。
示例性地，少模光参量放大器还包括信号模分复用机构，信号模分复用机构设置于少模光参量放大器的输入端，用于将多个模式的光信号复用到一根光纤。
示例性地，少模光参量放大器还包括波分复用器件，波分复用器件设置于少模光参量放大器的输入端，用于将信号光和泵浦光的光信号复用成一路信号。
示例性地，少模光参量放大器还包括光滤波器，光滤波器设置于少模光参量放大器的输出端，用于滤除泵浦光及闲频光。
示例性地，少模光参量放大器还包括信号模分解复用器件，信号模分解复用器件设置于少模光参量放大器的输出端，用于将经过光滤波器滤波后的信号光进行解复用以得到不同模式下的信号光。
请参见图4至图7，图4为本发明实施例提供的脊形单晶铌酸锂的少模光波导的结构截面图，图5为本发明实施例提供的脊形单晶铌酸锂的少模光波导的结构示意图，图6为本发明实施例提供的复合材料脊形单晶铌酸锂的少模光波导的结构截面图，图7为本发明实施例提供的复合材料脊形单晶铌酸锂的少模光波导的结构示意图；其中，图6、图7中薄膜铌酸锂及其顶部加载的复合材料层400两者共同组成少模光波导的芯层。
示例性地，图2至图7中少模光波导的上包层为空气包层，如有基于光波导散射损耗和传输损耗的考量，可通过替换上包层材料来实现低损耗的光波导需要说明的是，图2中给出的光波导芯层为矩形少模光波导的结构，但在本申请所公开的放大器结构中，也可根据需要制作成如图4所示的脊形少模光波导或其它形状的少模光波导和复合材料加载少模光波导。
示例性地，薄膜铌酸锂芯层为脊形单晶铌酸锂的少模光波导。
示例性地，薄膜铌酸锂芯层为矩形单晶铌酸锂的少模光波导。
示例性地，薄膜铌酸锂芯层还包括复合材料层，复合材料层加载于矩形单晶铌酸锂的表面。
请参见图8，图8为本申请实施例提供的少模光参量放大器信号增益和光波导长度的关系曲线示意图；在固定泵浦光功率的情况下，图8所示为信号光增益随着少模光波导长度的变化曲线；
示例性地，图8给出了本申请所公开的多极化周期薄膜铌酸锂光波导实现少模光参量放大工作过程的仿真结果。在未达到增益饱和的前提下，实现低功耗较高增益的少模光参量放大；加上对少模光波导的极化周期域长度的优化，同时实现了低差模增益的表现。
在一些实施方式中，图8给出的光波导增益性能可过通过增大泵浦光能量和增加光波导不同极化周期域长度来得到提高。
示例性地，本发明在维持周期极化薄膜铌酸锂光波导具备光参量放大的小型化、易于集成和功耗低等优势的前提下，利用多极化周期薄膜铌酸锂光波导来实现多个（模间）差频过程，即实现多个模式的信号光放大；在实现可控高增益的同时还能保持低差模增益甚至零差模增益的优秀性能。
在本申请所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本申请实施例不再多加赘述。
应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应与权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种低差模增益的少模光参量放大器，其特征在于，所述少模光参量放大器包括多个极化周期域的薄膜铌酸锂光波导，所述薄膜铌酸锂光波导包括薄膜铌酸锂芯层、光波导过渡层和基底；
所述薄膜铌酸锂芯层、所述过渡层和所述基底从上至下依次层叠设置，通过对所述薄膜铌酸锂芯层进行预设的周期极化，补偿多个模间差频过程中的相位失配，在所述薄膜铌酸锂芯层制备并获得多极化周期薄膜铌酸锂光波导；
将泵浦光和信号光注入至所述多极化周期薄膜铌酸锂光波导，基于二阶非线性差频效应，所述多极化周期薄膜铌酸锂光波导在单一模式泵浦光的作用下将所述信号光的多个信号光模式的光参量放大、并产生与所述信号光的模式一致的闲频光。
2.根据权利要求1所述的低差模增益的少模光参量放大器，其特征在于，根据所述泵浦光和信号光确定所述薄膜铌酸锂光波导中不同极化周期域的长度。
3.根据权利要求1所述的低差模增益的少模光参量放大器，其特征在于，所述少模光参量放大器的极化周期满足预设公式，所述预设公式为：
k p－k s－k i－(2π/Λ)＝0；
其中，k表示为对应光波的传输常数，p表示为泵浦光，s表示为信号光，i表示为闲频光，Λ表示为所述多极化周期薄膜铌酸锂光波导对应极化周期域的极化周期大小。
4.根据权利要求1所述的低差模增益的少模光参量放大器，其特征在于，所述少模光参量放大器还包括信号模分复用机构，所述信号模分复用机构设置于所述少模光参量放大器的输入端，用于将多个模式的光信号复用到一根光纤。
5.根据权利要求1或4所述的低差模增益的少模光参量放大器，其特征在于，所述少模光参量放大器还包括波分复用器件，所述波分复用器件设置于所述少模光参量放大器的输入端，用于将信号光和泵浦光的光信号复用成一路信号。
6.根据权利要求1所述的低差模增益的少模光参量放大器，其特征在于，所述少模光参量放大器还包括光滤波器，所述光滤波器设置于所述少模光参量放大器的输出端，用于滤除泵浦光及闲频光。
7.根据权利要求6所述的低差模增益的少模光参量放大器，其特征在于，所述少模光参量放大器还包括信号模分解复用器件，所述信号模分解复用器件设置于所述少模光参量放大器的输出端，用于将经过所述光滤波器滤波后的信号光进行解复用以得到不同模式下的信号光。
8.根据权利要求1所述的低差模增益的少模光参量放大器，其特征在于，所述薄膜铌酸锂芯层为脊形单晶铌酸锂的少模光波导。
9.根据权利要求1所述的低差模增益的少模光参量放大器，其特征在于，所述薄膜铌酸锂芯层为矩形单晶铌酸锂的少模光波导。
10.根据权利要求9所述的低差模增益的少模光参量放大器，其特征在于，所述薄膜铌酸锂芯层还包括复合材料层，所述复合材料层加载于所述矩形单晶铌酸锂的表面。
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