CN116722925A - 太比特容量中红外光信号产生装置及信号产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了太比特容量中红外光信号产生装置，包括双波长光放大单元和超宽带匹配频率变换单元，超宽带匹配频率变换单元采用匹配设计的阶跃啁啾型极化周期方式和匹配的晶体温度调控，1.5μm波段太比特容量光信号进入双波长光放大单元，与波长为λ₂的1μm波段连续泵浦光一起耦合后进入超宽带匹配频率变换单元，经过超宽带准相位匹配的非线性频率变换，产生太比特容量的中红外光信号。由于采用匹配设计的阶跃啁啾型极化周期方式和匹配的晶体温度调控，可支持1.5μm波段至中红外波段的光域转换带宽提升至50nm以上，而太比特信号占用带宽通常约为20nm左右，因此完全有能力实现中红外波段太比特容量光信号的产生。

Description

太比特容量中红外光信号产生装置及信号产生方法

技术领域

本发明属于超高速中红外空间激光通信技术领域，涉及太比特容量中红外光信号产生装置，具体涉及太比特容量中红外光信号产生方法。

背景技术

6G通信网络是下一代国家战略性信息基础设施，可实现空、天、地、海信息节点间高速互联互通，而空间激光通信技术是节点间实现高速互联互通的重要通信手段。目前基于近红外波段的空间激光通信在真空信道和高能见度大气信道条件下应用效果较好，然而在面对大气湍流、雨雪雾天气等复杂时变信道时，其链路可通率仅为32％左右。与此相对应的是，3-5μm中红外光波具有抗大气湍流能力强、太阳背景噪声占比低和低能见度下透过率高等明显大气信道传输优势。例如，法国航空航天科研局发布了“SCALPEL”研究计划，计划瞄准更适于大气传输和弱湍流效应的新谱段通信方式。通过对比近红外与中红外在大气传输中的各项特性结果，选择中红外波段(3-5μm)作为通信波长，因此针对空间网络中不可或缺的大气链路而言，采用中红外波段实现大气通信是非常有潜力的新型通信方式。目前采用非线性光学频率变换技术是产生较高速率中红外光信号的一种有效手段，可以将近红外的光信号转换到中红外波段，并且保留了原本的调制信息，但是目前受限于非线性晶体单一极化周期特性和温度敏感的影响，转换带宽一般在几个纳米，这导致在进一步提升中红外光信号的容量时遇到瓶颈，难以产生～100Gbps容量以上的中红外光信号，因此为了进一步突破中红外波段的传输容量，迈向太比特(～Tbps)容量的中红外光信号产生，需要极大提升非线性频率转换过程的带宽和增益平坦特性，而目前尚未见到有太比特容量的中红外光信号产生的方法。

发明内容

本发明的目的是提供太比特容量中红外光信号产生装置，解决了现有技术难以实现中红外波段太比特容量光信号产生的难题。

本发明的另一目的是提供太比特容量中红外光信号产生方法。

本发明所采用的第一技术方案是，太比特容量中红外光信号产生装置，包括双波长光放大单元和超宽带匹配频率变换单元，超宽带匹配频率变换单元采用匹配设计的阶跃啁啾型极化周期方式和匹配的晶体温度调控，1.5μm波段太比特容量光信号进入双波长光放大单元，与波长为λ₂的1μm波段连续泵浦光一起耦合后进入超宽带匹配频率变换单元，经过超宽带准相位匹配的非线性频率变换，产生太比特容量的中红外光信号。

本发明的特点还在于：

双波长光放大单元具体结构为：包括接收1.5μm波段太比特光信号的1.5μm波段放大器，1.5μm波段放大器连接高功率光隔离器a，还包括依次连接的1μm波段可调谐激光器、1μm波段放大器、高功率光隔离器b，高功率光隔离器a、高功率光隔离器b均连接波分复用器输入端，波分复用器输出端连接光纤准直透镜，光纤准直透镜输出端连接超宽带匹配频率变换单元，控制单元的四个端口分别与1μm波段可调谐激光器、1μm波段放大器、1.5μm波段放大器、晶体加热装置连接。

超宽带匹配频率变换单元具体结构为：包括阶跃啁啾型周期极化晶体、晶体加热装置、滤光片、中红外波段光功率计，阶跃啁啾型周期极化晶体靠近双波长光放大单元的一侧称为A侧，阶跃啁啾型周期极化晶体远离双波长光放大单元的一侧称为B侧，阶跃啁啾型周期极化晶体的A侧与双波长光放大单元连接，阶跃啁啾型周期极化晶体的B侧与滤光片连接，滤光片与中红外波段光功率计连接，晶体加热装置与阶跃啁啾型周期极化晶体连接，晶体加热装置同时还与双波长光放大单元中的控制单元连接，阶跃啁啾型周期极化晶体与光纤准直透镜输出端位于同一条光路上。

阶跃啁啾型周期极化晶体的极化周期为周期性阶跃递增，具体设计为：在晶体长度L上分为n个区域，每个区域包含k个相同的极化周期Λ，第n个区域中的周期为Λ_n，相邻区域之间的极化周期差△Λ＝Λ_n-Λ_n-1，极化占空比为0.5。

光纤准直透镜输出光入射至阶跃啁啾型周期极化晶体表面的角度为89°～91°之间。

1μm波段可调谐激光器输出波长为1μm～1.1μm之间调谐，输出为线偏振光；1μm波段放大器为全保偏光放大器，能够放大1μm～1.1μm之间的任意波长；1.5μm波段放大器为全保偏光放大器，能够放大1530nm～1565nm之间的任意波长。

1.5μm波段太比特光信号的调制格式是强度光信号、相位光信号以及高阶调制光信号中的任意一种；高功率光隔离器a、高功率光隔离器b、波分复用器均为保偏器件，均能够承受最高10W光功率；晶体加热装置的温度范围为20℃～100℃。

阶跃啁啾型周期极化晶体为掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体、掺氧化镁周期极化钽酸锂晶体、周期极化铌酸锂晶体中的任意一种；滤光片为锗窗口片、硅窗口片、氟化钡窗口片中的任意一种。

本发明所采用的第二个技术方案是，中红外波段太比特容量光信号产生方法，使用太比特容量中红外光信号产生装置，过程为：将1.5μm波段中心波长为λ₁的太比特容量光信号、1μm波段可调谐激光器输出光信号分别输入至双波长光放大单元，进行放大、滤波、耦合、准直后，得到空见光，将空间光输入至超宽带匹配频率变换单元，经过超宽带准相位匹配的非线性频率变换，产生太比特容量的中红外光信号。

中红外波段太比特容量光信号产生方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、控制单元设定1μm波段可调谐激光器输出波长范围在1μm～1.1μm之间波长为λ₂的泵浦光，1.5μm波段放大器、1μm波段放大器输出功率范围为1W～5W；

步骤2、1.5μm波段中心波长为λ₁的太比特容量光信号进入1.5μm波段放大器放大后，经过高功率光隔离器a后进入波分复用器；同时，1μm波段可调谐激光器输出波长范围在1μm～1.1μm之间波长为λ₂的泵浦光，经1μm波段放大器放大后经高功率光隔离器b后进入波分复用器；

步骤3、两个光信号在波分复用器耦合后进入光纤准直透镜准直，并输出空间光，空间光从A侧以一定角度入射至阶跃啁啾型周期极化晶体表面，从阶跃啁啾型周期极化晶体B侧输出后进入滤光片；

步骤4、经滤光片后只保留3～5μm中红外光信号输出，输出的中红外波段太比特容量光信号进入中红外波段光功率计进行功率监测；控制单元的控制信号设定相应温度用以适配光差频过程的相位匹配过程，并且在中红外波段光功率计中监测中红外波段太比特容量光信号功率，当功率达到最大时，表面在此温度下达到非线性频率变换过程的最佳相位匹配。

本发明的有益效果是，

1)可实现太比特量级的超大容量中红外光信号产生。由于采用匹配设计的阶跃啁啾型极化周期方式和匹配的晶体温度调控，可支持1.5μm波段至中红外波段的光域转换带宽提升至50nm以上，而太比特信号占用带宽通常约为20nm左右，因此完全有能力实现中红外波段太比特容量光信号的产生，相比采用单一极化周期方式的转换带宽提升5～10倍，这为太比特容量中红外光通信光源奠定了技术基础。

2)可实现波长功率平坦的中红外波段太比特容量光信号产生。由于1.5μm波段太比特容量光信号通常由波分复用形式组成，因此包含了很多个独立的波长，而采用切趾法的阶跃啁啾型周期极化方式，在很宽的转换带宽内仍然可以保持较为平坦的增益曲线，因此转换到中红外波段的所有波长之间功率差异较小，保证了中红外波段太比特容量光信号各个波长之间的功率均衡。

3)实现装置简洁易于操作。由于采用基于周期极化晶体准相位匹配的非线性频率转换方式，其原理是周期性的相位翻转使得转换效率能够随着传播距离增加而逐级累加，因此对入射光角度位置精度要求较低。传统双折射相位匹配虽然也可以实现非线性频率变换，但是满足相位匹配的情况要对入射光角度有严格的要求，因此该装置和方法对于太比特容量中红外高速光信号的产生较为简洁容易，对角度控制与调节的精度要求较低。

4)可支持多种调制格式的中红外高速光信号产生。由于采用基于周期极化晶体的非线性频率变换方式，可实现多种调制格式的透明变换，例如强度光信号(OOK)、相位光信号(BPSK)以及高阶调制光信号(QPSK、16QAM、64QAM)。

附图说明

图1是本发明太比特容量中红外光信号产生装置结构及信号产生过程示意图；

图2是阶跃啁啾型周期极化晶体的详细设计结构示意图；

图3是太比特容量光信号从近红外波段转换至中红外波段的光谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明太比特容量中红外光信号产生装置中提出了一种阶跃啁啾型周期极化方式，用以匹配超大带宽光信号在非线性频率转换过程中的准相位匹配，实现超大容量(太比特)中红外光信号产生。如图1所示，包括双波长光放大单元和超宽带匹配频率变换单元，超宽带匹配频率变换单元采用匹配设计的阶跃啁啾型极化周期方式和匹配的晶体温度调控，1.5μm波段太比特容量光信号进入双波长光放大单元，与波长为λ₂的1μm波段连续泵浦光一起耦合后进入超宽带匹配频率变换单元，经过超宽带准相位匹配的非线性频率变换，产生太比特容量的中红外光信号。

其中，超宽带匹配频率变换单元采用匹配设计的阶跃啁啾型极化周期方式和匹配的晶体温度调控，可支持1.5μm波段至中红外波段的光域转换带宽提升至50nm以上，而太比特信号占用带宽通常约为20nm左右，因此完全有能力实现中红外波段太比特容量光信号的产生，相比采用单一极化周期方式的转换带宽提升5～10倍。

由于1.5μm波段太比特容量光信号通常由波分复用形式组成，因此包含了很多个独立的波长，而采用切趾法的阶跃啁啾型周期极化方式，在很宽的转换带宽内仍然可以保持较为平坦的增益曲线，因此转换到中红外波段的所有波长之间功率差异较小，保证了中红外波段太比特容量光信号各个波长之间的功率均衡。

双波长光放大单元具体结构为：包括接收1.5μm波段太比特光信号的1.5μm波段放大器，1.5μm波段放大器连接高功率光隔离器a，还包括依次连接的1μm波段可调谐激光器、1μm波段放大器、高功率光隔离器b，高功率光隔离器a、高功率光隔离器b均连接波分复用器输入端，波分复用器用于对两个光信号进行耦合，波分复用器输出端连接光纤准直透镜，通过光纤准直透镜对耦合后的光信号进行准直，光纤准直透镜输出端连接超宽带匹配频率变换单元，控制单元的四个端口分别与1μm波段可调谐激光器、1μm波段放大器、1.5μm波段放大器、晶体加热装置连接。控制单元可控制1μm波段可调谐激光器波长调谐，可控制1μm波段放大器输出泵浦光功率在1W～5W范围调节，可控制1.5μm波段放大器输出泵浦光功率在1W～5W范围调节。

超宽带匹配频率变换单元具体结构为：包括阶跃啁啾型周期极化晶体、晶体加热装置、滤光片、中红外波段光功率计，阶跃啁啾型周期极化晶体靠近双波长光放大单元的一侧称为A侧，阶跃啁啾型周期极化晶体远离双波长光放大单元的一侧称为B侧，阶跃啁啾型周期极化晶体的A侧与双波长光放大单元连接，阶跃啁啾型周期极化晶体的B侧与滤光片连接，滤光片与中红外波段光功率计连接，晶体加热装置与阶跃啁啾型周期极化晶体连接，晶体加热装置同时还与双波长光放大单元中的控制单元连接，阶跃啁啾型周期极化晶体与光纤准直透镜输出端位于同一条光路上。

其中，超宽带匹配频率变换单元输入端连接光纤准直透镜，光纤准直透镜输出耦合后的泵浦光和信号光进入阶跃啁啾型周期极化晶体，由于光差频非线性效应的作用，两束光在阶跃啁啾型周期极化晶体中传播时产生新的差频光波，由于对晶体的极化周期进行了匹配的阶跃啁啾设计，使得输入的超大带宽太比特容量光信号在光差频效应中满足准相位匹配条件，进而具备产生中红外波段太比特容量光信号的条件。输出的中红外波段太比特容量光信号连接滤光片，用于滤除残留的1μm波段泵浦光和1.5μm波段信号光，只保留中红外波段太比特容量光信号输出。晶体加热装置的一端连接双波长光放大单元的控制单元，另外一端连接周期极化晶体，依据控制单元的控制信号设定周期极化晶体的最佳匹配温度。

阶跃啁啾型周期极化晶体的极化周期为周期性阶跃递增，具体设计为：如图2所示，在晶体长度L上分为n个区域，每个区域包含k个相同的极化周期Λ，第n个区域中的周期为Λ_n，相邻区域之间的极化周期差△Λ＝Λ_n-Λ_n-1，极化占空比为0.5。

光纤准直透镜输出光入射至阶跃啁啾型周期极化晶体表面的角度为89°～91°之间。

1μm波段可调谐激光器输出波长为1μm～1.1μm之间调谐，输出为线偏振光；1μm波段放大器为全保偏光放大器，能够放大1μm～1.1μm之间的任意波长；1.5μm波段放大器为全保偏光放大器，能够放大1530nm～1565nm之间的任意波长。

1.5μm波段太比特光信号的调制格式是强度光信号、相位光信号以及高阶调制光信号中的任意一种；高功率光隔离器a、高功率光隔离器b、波分复用器均为保偏器件，均能够承受最高10W光功率；晶体加热装置的温度范围为20℃～100℃，控制精度可低至0.1℃。

阶跃啁啾型周期极化晶体为掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体、掺氧化镁周期极化钽酸锂晶体、周期极化铌酸锂晶体中的任意一种；滤光片为锗窗口片、硅窗口片、氟化钡窗口片中的任意一种。

中红外波段太比特容量光信号产生装置的工作原理为：

如图1中所示，在双波长光放大单元，设定输入中心波长为λ₁的1.5μm波段太比特容量光信号功率为P_1-in，3dB信号带宽为△λ，覆盖的波长范围从λ_1-L到λ_1-R，即满足λ_1-L-λ_1-R＝△λ。设定1μm波段可调谐激光器输出波长为λ₂且功率为P_2-in的泵浦光。1.5μm波段太比特容量光信号经过1.5μm波段放大器后，输出功率为P_1-out，1.5μm波段放大器增益为G₁，则P_1-out和P_1-in的关系如下式所示：

P_1-out＝P_1-inG₁ (1)

相同的，1μm波段泵浦光经过1μm波段放大器后，输出功率为P_2-out，1μm波段放大器的增益为G₂，则P_2-out和P_2-in的关系如下式所示：

P_2-out＝P_2-inG₂ (2)

1.5μm波段放大器和1μm波段放大器的增益G₁和G₂可以通过控制单元调节，调节范围为30～37dB之间。设高功率光隔离器a、波分复用器、光纤准直透镜对信号光的总损耗为α₁，设高功率光隔离器b、波分复用器、光纤准直透镜对泵浦光的总损耗为α₂，则从光纤准直透镜出射的1.5μm波段信号光功率P’_1-out和1μm波段泵浦光功率P’_2-out分别如下式所示：

P’_1-out＝P_1-outα₁ (3)

P’_2-out＝P_2-outα₂ (4)

阶跃啁啾型周期极化晶体的极化周期沿着传播方向阶跃递增，具体设计如图2所示，在晶体长度L上分为n个区域，每个区域包含k个相同的周期Λ，第n个区域中的周期为Λ_n，相邻区域之间的周期差值为△Λ＝Λ_n-Λ_n-1，极化周期占空比为0.5。

由于1.5μm波段太比特容量光信号覆盖的波长范围从λ_1-L到λ_1-R，即满足λ_1-L-λ_1-R＝△λ。在此△λ带宽内的所有波长需要在晶体中满足准相位匹配条件才可以实现太比特容量的中红外光信号产生，1.5μm波段太比特容量光信号与泵浦光λ₂入射至周期极化晶体内部会发生光差频效应，对于左侧波长λ_1-L理论上对应产生的差频光波长为λ_3-L，对于右侧波长λ_1-R理论上对应产生的差频光波长为λ_3-R，并满足以下公式：

从式(5)和(6)可以看出，产生的中红外波段太比特容量光信号覆盖的波长范围从λ_3-L到λ_3-R，在准相位匹配中，每个波长对应的相位失配的计算如下式所示：

式中，和/>分别是信号光、泵浦光和闲频光的波矢，/>是周期极化引入的相位补偿。若在三束光共线条件下，则可将波矢表示为标量。此外，在三束光共线条件下，还可以将式子(7)表示为波长的形式如下式所示：

式中，λ₁、λ₂和λ₃分别是信号光、泵浦光和闲频光的波长，n₁、n₂和n₃分别是信号光、泵浦光和闲频光在周期极化晶体中的折射率。由于三束光在周期极化晶体中传播时，在晶体中的折射率n与波长λ、温度T均有关，其满足塞耳迈耶尔方程(Sellmeier equation)，具体如下方程所示：

式中，系数a₁～a₆和b₁～b₄分别为周期极化晶体的参数，不同的材料对应不同的参数。以掺5％氧化镁周期极化铌酸锂晶体(MgO：PPLN)为例，其参数如表1所示：

表1

a1

a2

a3

a4

a5

a6

b1

b2

b3

b4

5.756

0.098

0.202

189.32

12.52

1.32E-02

2.86E-06

4.70E-08

6.11E-08

1.51E-04

此外，式(9)中f为温度相关的函数，其表达式如下式所示：

f＝(T-24.5)(T+570.82) (10)

在联合式(8)～(10)下，可以计算在温度为T时，信号光波长分别为λ_1-L和λ_1-R时，相位失配△k＝0时对应的极化周期Λ数值，如式(11)、(12)所示：

因此当阶跃啁啾型周期极化晶体的极化周期从Λ_1-L逐渐递增到Λ_1-R时，从λ_1-L到λ_1-R之间所有波长的相位失配均会遇到△k＝0的情形，故可以实现太比特容量的近红外光信号转换至中红外波段。

以下面参数为例：晶体温度T＝50℃，1.5μm波段太比特容量光信号带宽覆盖整个波段(极限情况)，即λ_1-L＝1530nm，λ_1-R＝1565nm，对应的信号带宽为△λ＝35nm，当信号的两侧频点λ_1-L和λ_1-R在晶体中均满足准相位匹配条件时，计算得到的两个对应周期极化值分别为Λ_1-L＝30.1467μm，Λ_1-R＝30.6571μm，因此当阶跃啁啾型周期极化晶体两侧区域的极化周期设定为Λ_1-L和Λ_1-R，中间区域的极化周期等间隔阶跃递增则可以满足从λ_1-L到λ_1-R之间所有波长的准相位匹配，递增因子△Λ可设为0.001～0.005μm之间，以0.005μm为例，则设计的整个极化周期区域数量n如下式：

n＝30.6571μm-30.1467μm/0.005μm＝102 (12)

若每个区域的周期重复数k＝10，则整个晶体的长度计算L如下：

L＝k(Λ_1-L+Λ_1-L+0.005+Λ_1-L+0.005+0.005+...Λ_1-R)≈31mm (13)

可以看出，当确定了1.5μm波段光信号的波长覆盖范围从λ_1-L到λ_1-R、晶体温度T、阶跃递增因子△Λ、周期重复数k时，则可以完全计算出阶跃啁啾型周期极化晶体的两侧极化周期Λ_1-L和Λ_1-R、周期极化区域数量n以及晶体的长度L，通过这些参数的计算对晶体的制作提供有效输入，满足太比特容量的近红外光信号转换至中红外波段。

本发明中红外波段太比特容量光信号产生方法，使用太比特容量中红外光信号产生装置，过程为：将1.5μm波段中心波长为λ₁的太比特容量光信号、1μm波段可调谐激光器输出光信号分别输入至双波长光放大单元，进行放大、滤波、耦合、准直后，得到空见光，将空间光输入至超宽带匹配频率变换单元，经过超宽带准相位匹配的非线性频率变换，产生太比特容量的中红外光信号。具体按照以下步骤实施：

步骤1、控制单元设定1μm波段可调谐激光器输出波长范围在1μm～1.1μm之间波长为λ₂的泵浦光，1.5μm波段放大器、1μm波段放大器输出功率范围为1W～5W；

步骤2、1.5μm波段中心波长为λ₁的太比特容量光信号进入1.5μm波段放大器放大后，经过高功率光隔离器a后进入波分复用器；同时，1μm波段可调谐激光器输出波长范围在1μm～1.1μm之间波长为λ₂的泵浦光，经1μm波段放大器放大后经高功率光隔离器b后进入波分复用器；

步骤3、两个光信号在波分复用器耦合后进入光纤准直透镜准直，并输出空间光，空间光从A侧以一定角度入射至阶跃啁啾型周期极化晶体表面，从阶跃啁啾型周期极化晶体B侧输出后进入滤光片；

步骤4、经滤光片后只保留3～5μm中红外光信号输出，输出的中红外波段太比特容量光信号进入中红外波段光功率计进行功率监测；控制单元的控制信号设定相应温度用以适配光差频过程的相位匹配过程，并且在中红外波段光功率计中监测中红外波段太比特容量光信号功率，当功率达到最大时，表面在此温度下达到非线性频率变换过程的最佳相位匹配。

实施例1

本发明一种中红外波段太比特容量光信号产生装置实现中红外波段太比特容量光信号的产生，即首先对1.5μm波段信号光和1μm波段泵浦光进行光纤放大处理，使得1.5μm波段光信号和1μm波段泵浦光功率在1～5W之间可调，容易在晶体中产生非线性光学效应。放大后的两束光分别通过高功率光隔离后进入波分复用器耦合到一路光纤中，然后经过光纤准直透镜准直后以垂直角度出射至阶跃啁啾型周期极化晶体表面，当两束光在阶跃啁啾型周期极化晶体中传播时，由于光差频非线性光学效应，会不断产生中红外闲频光。为了在晶体中实现太比特容量的超大带宽光信号的准相位匹配频率转换，设计的晶体极化周期的最小值可对应满足太比特容量光信号频率上沿的最佳相位匹配，晶体极化周期的最大值可对应满足太比特容量光信号频率下沿的最佳相位匹配，晶体中间区域的极化周期从最小值到最大值呈现阶跃型递增，满足从频率上沿到频率下沿之间所有频率的相位匹配，使得输入的超大带宽太比特容量光信号在光差频效应中满足准相位匹配条件，进而具备产生中红外波段太比特容量光信号的条件。

实施例2

参照图1所示本发明一种中红外波段太比特容量光信号产生装置具体操作过程为：

(1)信号光和泵浦光功率放大：在双波长光放大单元，首先通过配置1.5μm波段放大器，使得输入的1.5μm波段太比特容量光信号被放大到1W～5W之间。同样通过配置1μm波段放大器，使得1μm波段可调谐激光器输出的泵浦光被放大到1W～5W之间，放大后的两束光功率表达如下式所示：

P_1-out＝P_1-inG₁ (1)

P_2-out＝P_2-inG₂ (2)

(2)信号光和泵浦光耦合：放大后的两束光通过波分复用器耦合后进入光纤准直透镜，光纤准直透镜对光束进行扩束和准直，出射光垂直入射至阶跃啁啾型周期极化晶体表面，当两束强光在周期极化晶体内部传播时由于光差频作用会产生闲频光。

(3)光差频过程相位失配：由于1.5μm波段太比特容量光信号覆盖的波长范围从λ_1-L到λ_1-R，即带宽为λ_1-L-λ_1-R＝△λ。在此△λ带宽内的所有波长需要在晶体中满足准相位匹配条件才可以实现太比特容量的中红外光信号产生，对于左侧波长λ_1-L理论上对应产生的差频光波长为λ_3-L，对于右侧波长λ_1-R理论上对应产生的差频光波长为λ_3-R，并满足以下公式：

1.5μm波段太比特容量光信号与泵浦光λ₂入射至周期极化晶体内部会发生光差频效应，从式(5)和(6)可以看出，产生的太比特中红外光信号覆盖的波长范围从λ_3-L到λ_3-R，为了得到匹配的极化周期结果，需要完成以下的计算。在准相位匹配中，信号光波矢泵浦光波矢/>和闲频光波矢/>与相位失配/>的关系计算如下式所示：

由于三束光在周期极化晶体中传播时，在晶体中的折射率n与波长λ、温度T均有关，其满足塞耳迈耶尔方程(Sellmeier equation)，因此通过周期极化晶体的系数a₁～a₆和b₁～b₄带入塞耳迈耶尔方程，则可计算出信号光、泵浦光、闲频光在周期极化晶体中的折射率n₁、n₂、n₃，则在式(7)可进一步表示为如下式：

(4)阶跃啁啾型周期极化晶体匹配设计：为了实现波长范围从λ_1-L到λ_1-R的太比特容量光信号的准相位匹配，需要设计相应的极化周期结构，具体设计如图2所示，结构为阶跃啁啾型周期极化方式，在晶体长度L上分为n个区域，每个区域包含k个相同的极化周期Λ，第n个区域中的极化周期为Λ_n，相邻区域之间的极化周期差值为△Λ＝Λ_n-Λ_n-1，沿着传播方向极化周期阶跃递增极化周期占空比为0.5。在温度为T时，信号光波长分别为λ_1-L和λ_1-R时，相位失配△k＝0时对应的极化周期Λ数值计算如式(9)、(10)所示：

因此当阶跃啁啾型周期极化晶体的极化周期从Λ_1-L逐渐递增到Λ_1-R时，从λ_1-L到λ_1-R之间所有波长的相位失配均会遇到△k＝0的情形，故可以实现太比特容量的近红外光信号转换至中红外波段，其频率转换光谱如图3所示。

实施例3

以下面参数为例：晶体温度T＝50℃，1.5μm波段太比特容量光信号带宽覆盖整个波段(极限情况)，即λ_1-L＝1530nm，λ_1-R＝1565nm，对应的信号带宽为△λ＝35nm，当信号的两侧频点λ_1-L和λ_1-R在晶体中均满足准相位匹配条件时，计算得到的两个对应周期极化值分别为Λ_1-L＝30.1467μm，Λ_1-R＝30.6571μm，因此当阶跃啁啾型周期极化晶体两侧的极化周期设定为Λ_1-L和Λ_1-R，中间区域的极化周期等间隔阶跃递增则可以满足从λ_1-L到λ_1-R之间所有波长的准相位匹配，递增因子△Λ可设为0.001～0.005μm之间，以0.005μm为例，则设计的整个周期极化区域数量n如下式：

n＝30.6571μm-30.1467μm/0.005μm＝102 (11)

每个区域的周期重复数k＝10，则整个晶体的长度计算L如下：

L＝k(Λ_1-L+Λ_1-L+0.005+Λ_1-L+0.005+0.005+...Λ_1-R)≈31mm (12)

从上述例子可以看出，当确定了1.5μm波段信号的波长范围λ_1-L到λ_1-R，晶体温度T、阶跃递增因子△Λ、周期重复数k时，则可以完全计算出阶跃啁啾型周期极化晶体的两侧极化周期Λ_1-L和Λ_1-R、周期极化区域数量n以及晶体的长度L，通过这些参数的计算对晶体的制作提供有效输入，满足太比特容量的近红外光信号转换至中红外波段。

至此，通过以上步骤，实现了中红外波段太比特容量光信号产生过程。

通过上述方式，本发明太比特容量中红外光信号产生装置，提出了一种阶跃啁啾型周期极化方式，用以匹配超大带宽光信号在非线性频率转换过程中的准相位匹配，实现超大容量(太比特)中红外光信号产生。

Claims (10)

1.太比特容量中红外光信号产生装置，其特征在于，包括双波长光放大单元和超宽带匹配频率变换单元，所述超宽带匹配频率变换单元采用匹配设计的阶跃啁啾型极化周期方式和匹配的晶体温度调控，1.5μm波段太比特容量光信号进入双波长光放大单元，与波长为λ₂的1μm波段连续泵浦光一起耦合后进入超宽带匹配频率变换单元，经过超宽带准相位匹配的非线性频率变换，产生太比特容量的中红外光信号。

2.根据权利要求1所述太比特容量中红外光信号产生装置，其特征在于，所述双波长光放大单元具体结构为：包括接收1.5μm波段太比特光信号的1.5μm波段放大器，所述1.5μm波段放大器连接高功率光隔离器a，还包括依次连接的1μm波段可调谐激光器、1μm波段放大器、高功率光隔离器b，所述高功率光隔离器a、高功率光隔离器b均连接波分复用器输入端，所述波分复用器输出端连接光纤准直透镜，所述光纤准直透镜输出端连接超宽带匹配频率变换单元，控制单元的四个端口分别与1μm波段可调谐激光器、1μm波段放大器、1.5μm波段放大器、晶体加热装置连接。

3.根据权利要求2所述太比特容量中红外光信号产生装置，其特征在于，所述超宽带匹配频率变换单元具体结构为：包括阶跃啁啾型周期极化晶体、晶体加热装置、滤光片、中红外波段光功率计，所述阶跃啁啾型周期极化晶体靠近所述双波长光放大单元的一侧称为A侧，所述阶跃啁啾型周期极化晶体远离所述双波长光放大单元的一侧称为B侧，所述阶跃啁啾型周期极化晶体的A侧与双波长光放大单元连接，所述阶跃啁啾型周期极化晶体的B侧与滤光片连接，所述滤光片与中红外波段光功率计连接，所述晶体加热装置与阶跃啁啾型周期极化晶体连接，所述晶体加热装置同时还与双波长光放大单元中的控制单元连接，所述阶跃啁啾型周期极化晶体与光纤准直透镜输出端位于同一条光路上。

4.根据权利要求3所述太比特容量中红外光信号产生装置，其特征在于，所述阶跃啁啾型周期极化晶体的极化周期为周期性阶跃递增，具体设计为：在晶体长度L上分为n个区域，每个区域包含k个相同的极化周期Λ，第n个区域中的周期为Λ_n，相邻区域之间的极化周期差△Λ＝Λ_n-Λ_n-1，极化占空比为0.5。

5.根据权利要求3所述太比特容量中红外光信号产生装置，其特征在于，所述光纤准直透镜输出光入射至阶跃啁啾型周期极化晶体表面的角度为89°～91°之间。

6.根据权利要求2所述太比特容量中红外光信号产生装置，其特征在于，所述1μm波段可调谐激光器输出波长为1μm～1.1μm之间调谐，输出为线偏振光；所述1μm波段放大器为全保偏光放大器，能够放大1μm～1.1μm之间的任意波长；1.5μm波段放大器为全保偏光放大器，能够放大1530nm～1565nm之间的任意波长。

7.根据权利要求2所述太比特容量中红外光信号产生装置，其特征在于，所述1.5μm波段太比特光信号的调制格式是强度光信号、相位光信号以及高阶调制光信号中的任意一种；所述高功率光隔离器a、高功率光隔离器b、波分复用器均为保偏器件，均能够承受最高10W光功率；所述晶体加热装置的温度范围为20℃～100℃。

8.根据权利要求3所述太比特容量中红外光信号产生装置，其特征在于，所述阶跃啁啾型周期极化晶体为掺氧化镁周期极化铌酸锂晶体、掺氧化镁周期极化钽酸锂晶体、周期极化铌酸锂晶体中的任意一种；滤光片为锗窗口片、硅窗口片、氟化钡窗口片中的任意一种。

9.中红外波段太比特容量光信号产生方法，其特征在于，使用权利要求3所述太比特容量中红外光信号产生装置，过程为：将1.5μm波段中心波长为λ₁的太比特容量光信号、1μm波段可调谐激光器输出光信号分别输入至双波长光放大单元，进行放大、滤波、耦合、准直后，得到空见光，将空间光输入至超宽带匹配频率变换单元，经过超宽带准相位匹配的非线性频率变换，产生太比特容量的中红外光信号。

10.根据权利要求9所述中红外波段太比特容量光信号产生方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、控制单元设定1μm波段可调谐激光器输出波长范围在1μm～1.1μm之间波长为λ₂的泵浦光，1.5μm波段放大器、1μm波段放大器输出功率范围为1W～5W；

步骤2、1.5μm波段中心波长为λ₁的太比特容量光信号进入1.5μm波段放大器放大后，经过高功率光隔离器a后进入波分复用器；同时，1μm波段可调谐激光器输出波长范围在1μm～1.1μm之间波长为λ₂的泵浦光，经1μm波段放大器放大后经高功率光隔离器b后进入波分复用器；

步骤3、两个光信号在波分复用器耦合后进入光纤准直透镜准直，并输出空间光，空间光从A侧以一定角度入射至阶跃啁啾型周期极化晶体表面，从阶跃啁啾型周期极化晶体B侧输出后进入滤光片；

步骤4、经滤光片后只保留3～5μm中红外光信号输出，输出的中红外波段太比特容量光信号进入中红外波段光功率计进行功率监测；控制单元的控制信号设定相应温度用以适配光差频过程的相位匹配过程，并且在中红外波段光功率计中监测中红外波段太比特容量光信号功率，当功率达到最大时，表面在此温度下达到非线性频率变换过程的最佳相位匹配。