CN116430644A - 一种基于周期性极化型铌酸锂晶体的高偏振隔离的光参量放大器 - Google Patents
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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高偏振隔离的光参量放大器，属于光通信和微波光子学领域。本发明通过对周期性极化型铌酸锂晶体的极化周期的设计，可以在同一个周期性极化型铌酸锂晶体上同时利用二阶非线性效应中的差频与倍频效应来实现对不同偏振信号光的放大和消耗，无需额外偏振控制器件即可实现对某一偏振信号光的高偏振隔离放大。通过选择周期性极化型铌酸锂晶体的极化周期，输入满足准相位匹配条件的信号光和泵浦光的波长，可实现信号光的高偏振隔离放大。通过改变泵浦光的功率可实现对差频放大增益的调节，进一步实现偏振隔离度的调节。
Description
技术领域
本发明属于光通信和微波光子学领域，特别涉及一种周期性极化型铌酸锂晶体的高偏振隔离的光参量放大器。
背景技术
在光通信中，经常需要对中继信号进行放大处理，以保证后续的信息传输。传统的处理方法是通过掺铒光纤放大器对信号进行放大。但是掺铒光纤放大器的增益频谱并不平坦，需要采用特殊技术来补偿增益频谱。并且，掺铒光纤放大器只能对1550nm左右的光波进行放大，波长调节范围有限。并且掺铒光纤放大器属于分立器件，器件尺寸较长，功耗较大，不能够与其他器件进行集成。此外，在光纤通信系统中，经常使用光纤作为物理介质来进行信息传输。随着传输速率的提升，由于光纤中热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素引起的偏振损害会随着传输距离增大而累积，会极大限制通信系统的传输带宽，需要使用保偏光纤和偏振控制器来对光纤传输的偏振态加以控制。但是在长距离通信中，需要很长的保偏光纤和多个偏振控制器件，由于大量用到了光纤，使得系统的尺寸较大，同样不利于集成，这无疑增大了通信系统的复杂性和成本。事实上，介质中的非线性光学效应也可以对传输模式偏振态进行控制，同时实现光放大功能。
铌酸锂是一种双折射晶体，o光和e光的折射率可以通过Sellmeier方程表示。准相位匹配方式可以根据二阶非线性相互作用光波的偏振态分为type-0型(e+e→e)和type-I型(o+o→e)。铌酸锂的二阶非线性效应包括倍频效应、和频效应和差频效应等。倍频/和频效应通过生成倍频/和频光，实现对信号光的消耗。差频效应通过将泵浦光能量转移至信号光从而实现放大。利用这几种效应，通过不同偏振下的准相位匹配方式，可以实现对某一偏振信号的差频放大和另一偏振信号的倍频/和频衰减。此外铌酸锂晶体可以与其他结构进行集成，减小器件尺寸。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服传统掺铒光纤放大器结构复杂、放大波长单一的缺点，以及需要在光通信链路中，保证单一偏振放大的信号光为目的。从集成光学角度出发，提供一种实现高偏振隔离光放大的新方法，来简化器件结构，便于操作和降低成本。
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二阶非线性效应，提出了一种具有偏振隔离的光参量放大器。选取合适的极化周期对铌酸锂晶体进行极化，使其可以同时满足倍频与差频效应，进而实现对不同偏振态信号光的消耗和放大。并通过对泵浦光波长和功率的控制来实现不同波长信号光的放大以及偏振隔离度的调谐，从而克服了现有光放大器放大波长单一，器件尺寸大和不利于单片集成的缺点。
本发明提供了一种高偏振隔离的光参量放大器的实现方式，其原理如图1所示，具体如下：在周期性极化型铌酸锂晶体中输入一波长为λs的混合偏振信号光，并且o光和e光两种偏振分量幅值相同，对应偏振态下的信号光波长分别记为λs,o和λs,e。由于铌酸锂的非线性效应在不同偏振态下利用的二阶非线性光学系数不同，所以这里选择常用的x切和z切铌酸锂晶体分别进行说明。
图1(a)演示的是x切周期性极化型铌酸锂晶体中的偏振隔离光参量放大过程。首先，对周期性极化型铌酸锂晶体的极化周期进行选择，保证倍频和差频效应可以同时发生，并得出相应的信号光波长和泵浦光波长。为保证光参量放大效果，采用的type-0型差频效应来利用最大的非线性光学系数d33，输入TE偏振的泵浦光λs,e，对TE偏振的信号光λs,e进行放大。所以采用的type-I型倍频效应来对TM偏振的信号光λs,o进行衰减，此时利用的是非线性光学系数d31。在差频效应中，泵浦光能量转移至信号光中，实现光放大。在倍频效应中，信号光能量转移至倍频光中，实现信号光能量的消耗。
图1(b)演示的是z切周期性极化型铌酸锂晶体中的偏振隔离光参量放大过程。同样，先对周期性极化型铌酸锂晶体的极化周期进行选择，保证倍频和差频效应可以同时发生，并得出相应的信号光波长和泵浦光波长。采用的type-I型差频效应来利用最大的非线性光学系数d33，输入TE偏振的泵浦光λs,o，对TE偏振的信号光λs,o进行放大。所以采用的type-0型倍频效应来对TM偏振的信号光λs,e进行衰减，此时利用的也是非线性光学系数d31。利用倍频效应和差频效应分别实现不同偏振信号光的消耗和放大。
本发明还提供了一种实现高偏振隔离的光参量放大器的装置图，其结构如图2所示，包括产生信号光的可调激光器1和产生泵浦光的可调激光器2、偏振控制器、合波器、周期性极化型铌酸锂晶体、偏振分束器和光学滤波器等。其中，可调谐激光器1输出的信号光，经过偏振控制器后，输出两个偏振分量幅值相同的混合偏振信号光。可调谐激光器2输出的泵浦光经过另一偏振控制器输出的偏振态为单偏振，具体偏振态根据晶体取向决定。泵浦光和信号光由合波器进行合束，一同输入周期性极化型铌酸锂晶体中进行倍频和差频效应。在晶体输出端通过偏振分束器分离放大后的两种偏振态的信号光，残留泵浦光以及新生成的倍频光和差频光。之后两个支路分别经过光学滤波器，滤除信号光以外的光波，输出放大后的信号光，进而分析不同偏振的信号光光谱情况。
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非线性效应来实现对不同偏振态信号光的消耗和放大，无需额外偏振控制器件即可实现对某一偏振信号光的高偏振隔离放大。通过选择周期性极化型铌酸锂晶体的极化周期，输入满足准相位匹配条件的信号光和泵浦光的波长，可实现信号光的高偏振隔离放大。通过改变信号光和泵浦光的功率，可实现对倍频消光比和差频放大增益的调节，进一步实现偏振隔离度的调节。在光通信和微波光子领域具有非常灵活的应用，并具备很强的实际可操作性。
附图说明
图1为本发明所采用的高偏振隔离光参量放大器的原理图。
图2为本发明所采用的高偏振隔离光参量放大器的装置图。
图3为本发明所公开的x切周期性极化型铌酸锂晶体的高偏振隔离光参量放大器实施例的仿真输出。
图4为本发明所公开的z切周期性极化型铌酸锂晶体的高偏振隔离光参量放大器实施例的仿真输出。
图5为本发明所公开的x切周期性极化型铌酸锂晶体的偏振隔离度调谐实施例的仿真输出。
图6为本发明所公开的z切周期性极化型铌酸锂晶体的偏振隔离度调谐实施例的仿真输出。
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信号光波长为λs，差频效应的泵浦光波长为λp，泵浦光与信号光的偏振态根据准相位匹配条件确定。对于x切周期性极化型铌酸锂晶体的type-0差频效应+type-I倍频效应，要实现有效的非线性差频与倍频效应，对应的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差频效应：
倍频效应：
对于z切周期性极化型铌酸锂晶体的type-0倍频效应+type-I差频效应，需满足相应的频率条件和相位匹配条件分别为
差频效应：
倍频效应：
其中，Λ是周期性极化型铌酸锂晶体的极化周期，ωj和kj分别为角频率和波矢量。角标j＝p,s,sh,df，分别代表泵浦光、信号光、倍频光和差频光。角标o和e分别表示o光和e光。
选择合适的极化周期对铌酸锂晶体进行极化，保证在同一个周期性极化型铌酸锂晶体上的同时利用倍频与差频效应，来实现高偏振隔离的光参量放大。对某一偏振信号通过倍频效应，在输出端生成倍频光，消耗掉在该偏振信号光的能量。通过输入对应差频效应的高功率泵浦光，使得泵浦光能量向另一偏振信号光的转移，从而实现对另一偏振信号光的放大。倍频与差频效应是相互独立的，彼此之间的非线性效应互不影响，因而可以对信号光的不同偏振态进行处理。
实施例
图3、图4、图5和图6给出了本发明所公开的光参量放大器的一个实施例的仿真结果。
图3给出了x切周期性极化型铌酸锂晶体的type-0差频效应+type-I倍频效应方案下的输入和输出光谱，在此实施例中，选取的极化周期为21.43μm，信号光波长为1480nm。图3(a)为差频效应输入的TE偏振的泵浦光脉冲，波长为817nm，泵浦光功率为1500mW。图3(b)为差频效应输入的TE偏振的信号光脉冲，光功率为10mW。图3(c)为倍频效应输入的TM偏振的信号光脉冲，光功率为10mW。图3(d)绘制的是经过差频效应放大后的TE偏振的信号光脉冲，峰值功率为528.6mW。图3(e)绘制的是经过倍频效应衰减后的TM偏振的信号光脉冲，峰值功率为2.9mW。计算得到偏振隔离度为22.60dB。
图4给出了z切周期性极化型铌酸锂晶体的type-0倍频效应+type-I差频效应方案下的输出光谱。在此实施例中，选取的极化周期为18.00μm，信号光波长为1510nm。图4(a)为差频效应输入的TE偏振的泵浦光脉冲，波长为1110nm，泵浦光功率为1000mW。图4(b)为差频效应输入的TE偏振的信号光脉冲，光功率为10mW。图4(c)为倍频效应输入的TM偏振的信号光脉冲，光功率为10mW。图4(d)绘制的是经过差频效应放大后的TE偏振的信号光脉冲，峰值功率为687.8mW。图4(e)绘制的是经过倍频效应衰减后的TM偏振的信号光脉冲，峰值功率为2.7mW。计算得到偏振隔离度为24.06dB。
图5演示了在x切周期性极化型铌酸锂晶体上的偏振隔离度调谐仿真。当在一定范围内调节差频效应泵浦光功率时，可以提高或减小信号光增益，从而实现偏振隔离度的可调谐。图5(a)为差频效应输入的TE偏振的泵浦光脉冲，泵浦光功率增大至1000mW。图5(b)为差频效应输入的TE偏振的信号光脉冲，光功率为10mW。图5(c)为倍频效应输入的TM偏振的信号光脉冲，光功率为10mW。图5(d)绘制的是经过差频效应放大后的TE偏振的信号光脉冲，峰值功率为889.5mW。图5(e)绘制的是经过倍频效应衰减后的TM偏振的信号光脉冲，峰值功率为2.9mW。计算得到偏振隔离度为24.86dB。
图6给出了在z切周期性极化型铌酸锂晶体上的偏振隔离度调谐仿真。图6(a)为差频效应输入的TE偏振的泵浦光脉冲，泵浦光功率增大至1500mW。图6(b)为差频效应输入的TE偏振的信号光脉冲，光功率为10mW。图6(c)为倍频效应输入的TM偏振的信号光脉冲，光功率为10mW。图6(d)绘制的是经过差频效应放大后的TE偏振的信号光脉冲，峰值功率为1127.2mW。图6(e)绘制的是经过倍频效应衰减后的TM偏振的信号光脉冲，峰值功率为2.7mW。计算得到偏振隔离度为26.20dB。
Claims (4)
1.一种基于周期性极化型铌酸锂晶体的高偏振隔离的光参量放大器，其特征在于：本装置包括产生信号光的可调激光器1和产生泵浦光的可调激光器2、偏振控制器、合波器、周期性极化型铌酸锂晶体、偏振分束器和光学滤波器等。其中，合波器用来将各个波长的光合为一路，也可以用耦合器替代；可调谐激光器分别用于产生泵浦光和信号光；偏振控制器用于控制泵浦光和信号光的偏振态；偏振分束器用于分离不同偏振态的信号光；光学滤波器用于滤除信号光以外的光波；其核心器件周期性极化型铌酸锂晶体可以是体材料的晶体，也可以是体材料制作的波导结构，还可以使用铌酸锂薄膜材料制作。
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高偏振隔离的光参量放大器，其特征在于：通过对周期性极化型铌酸锂晶体的极化周期的设计，可以在同一个周期性极化型铌酸锂晶体上同时利用二阶非线性效应中的差频与倍频效应，对某一偏振信号光的能量进行消耗，并对另一偏振信号光实现放大。
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高偏振隔离的光参量放大器，其特征在于：选择适合的极化周期，使某一偏振的信号光发生倍频效应，而另一偏振的信号光在合适的泵浦光波长下，可以发生差频效应，实现在同一个周期性极化型铌酸锂晶体上对不同偏振信号光的消耗和放大功能。
4.根据权利要求1所述的基于周期性极化型铌酸锂晶体的高偏振隔离的光参量放大器，其特征在于：倍频与差频效应是相互独立的，彼此之间的非线性效应互不影响，因而可以对信号光的不同偏振态进行放大和消耗处理。
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