CN117293654B - 一种自启动全光信号处理器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自启动全光信号处理器件，属于光通信领域，器件包括：有源部件和无源部件；所述有源部件，用于提供光学增益；所述无源部件，用于与有源部件形成谐振腔，且提供光学非线性效应产生的区域；所述有源部件在激励源的作用下启动光学增益，之后在谐振腔内产生激光；所述激光作为无源部件内的泵浦光，使得输入到无源部件内的信号光与泵浦光产生光学非线性效应后输出。本发明在器件内部加入了有源部件，无源部件提供光学非线性效应产生的区域，且产生激光的谐振腔由有源部件和无源部件共同构成，激光的频率由谐振腔频率决定，随着谐振腔谐振频率的变化而变化，因此器件无需外部泵浦激光扫频输入，大大减小了器件成本。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种自启动全光信号处理器件。
背景技术
21 世纪是信息高速发展的时代，随着集成电路技术以及通信技术的发展，人们对于信息传输时的高速率、低功耗等特点有着越来越高的要求，通信行业中无论通信容量还是传输功耗都迫切需要进一步改善。集成化是目前全光信号处理发展的主要方向之一，也是全光信号处理走向实用化的前提，通过集成化光子器件可以有效降低系统体积与功耗，还可以降低每个器件之间的耦合损耗，有效提升系统的稳定性。现有全光信号处理器件通常基于光学非线性效应工作，而二阶非线性以及三阶非线性效应的转换效率都较低，因此常常利用谐振腔的谐振增强效应，提高光学非线性效应的发生效率。然而，现有技术方案均采用了激光器外置结构，从外部向谐振腔输入激光，受到热光效应和非线性效应的影响，谐振腔的谐振频率会随腔内能量的变化而变化，为了有效地将激光注入谐振腔，对激光器的性能提出了严苛要求，且器件的工作稳定性也较差。因此，将激光技术与全光信号处理器件直接结合，提高器件工作稳定性，具有重要价值。
2014年Herr等人，为了将激光有效的注入谐振腔的谐振峰内，采用了外部激光器扫频输入的方式。由于光学谐振腔存在热光效应和非线性效应，谐振腔的谐振频率会随腔内能量的变化而改变。外部激光频率逐渐靠近谐振频率时，腔内能量会显著提升，从而谐振频率发生红移，此时通过改变外部激光频率，追逐谐振频率，如此反复，在合适的扫频速率下，激光将被有效地注入谐振峰，如图1所示。然而此时，器件的工作状态并不稳定，容易受到外部干扰，例如激光器频率啁啾和环境温度变化，发生严重失谐。
2021年Kippenberg等人利用激光器的自注入锁定效应实现了激光向谐振腔的有效注入。实验装置如图2所示，左侧激光器出射激光耦合进入谐振腔，激光进入谐振腔后发生背向散射，同时受到谐振腔本身的滤波效应，激光频率与谐振峰重叠的部分会具有较强的背向反射，这部分光重新回到激光腔内，从而发生激光器的自注入锁定效应，促使激光器按照背向反射光频率输出激光。尽管谐振腔仍然要经历热光效应等带来的谐振频率的漂移，但激光器自注入锁定效应对激光器的反馈调节，激光频率最终被锁定在光学外腔的谐振频率的零失谐处。自注入锁定效应属于一种弱的反馈效应，其可锁定的频率范围较小，如图3所示，一般自注入效应的启动，也需要将激光器的输出频率调谐到谐振腔谐振频率的附近，对于激光器和谐振腔的加工设计仍存在较高要求。
从现有技术来看：
1. 全光信号处理器件采用谐振结构可以提高其非线性效率，激光光源对谐振器件进行泵浦时，谐振器件由于热效应以及克尔非线性的影响其谐振峰会产生偏移，谐振峰表现为一个非洛伦兹线型的倒三角，只有光源完全打入谐振峰内才能取得最高的转换效率，但外部泵浦光扫频输入对激光器要求高，成本高，而且系统难以保持稳定，需要频繁调节。
2. 自注入锁定可以在某种程度上解决激光扫频的问题，由于激光器生成频率被锁定在谐振腔的谐振频率附近，因此激光光源频率调谐到泵浦频率附近后无需进一步调节，频率自动完成锁定。但自注入锁定往往对外腔的制备有较高的要求，并锁定范围较小，不能满足实际需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种自启动全光信号处理器件，旨在解决现有包含谐振腔结构的全光信号处理器件需要扫频启动，稳定性差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种自启动全光信号处理器件，包括：有源部件和无源部件；
所述有源部件，用于提供光学增益；
所述无源部件，用于与有源部件形成谐振腔，且提供光学非线性效应产生的区域；
所述有源部件在激励源的作用下启动光学增益，之后在谐振腔内产生激光；所述激光作为无源部件内的泵浦光，使得输入到无源部件内的信号光与泵浦光产生光学非线性效应后输出。
需要说明的是，激光产生一般需要三要素：增益介质、粒子数反转以及谐振腔。第一、增益介质，要保证在外界有合适泵浦源的情况下，有受激辐射的产生，由有源部件提供。第二、粒子数反转，即激励源，保证粒子数反转，也就是增益大于损耗。第三、谐振腔，有源部件和无源部件可以分别设有两个反射件，构成谐振腔，在谐振腔内，只要是光路的部分存在，则产生激光，且产生的激光会在有源部件和无源部件中都存在。
可以理解的是，有源部件需要激励源启动，激励源可以是电或者一束普通的光，例如半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）通电，加电后驱动电流将半导体载流子转化为反转粒子，实现粒子数反转；或掺铒光纤放大器（Erbium Doped FiberApplication Amplifier，EDFA）吸收预设波长的光实现粒子反转。
进一步地，在激励源的作用下粒子数反转产生激光，且激光频率由谐振腔谐振频率决定，激光自发产生后，它的频率始终与谐振腔的谐振频率重合。这样泵浦激光始终位于谐振峰的谐振峰内，会保证有最大的泵浦效率。通过本发明提供的器件生成的激光频率稳定，不会像常规扫频输入激光，会产生热效应，进而谐振峰偏移，不需要频繁调整输入激光的频率，保证激光频率位于谐振频率内。
可以理解的是，本发明中的激光仅在无源部件中作为泵浦光进行非线性信号处理，不需要向外界输出，因此所需的激光的功率阈值相对较低，只需要保证小信号增益够大，保证无源部件中的泵浦效率足够高即可。
具体地，无源部件用来作为非线性信号处理的部分，比较经典的非线性过程就是四波混频。简并四波混频的原理是，输入一束泵浦光，以及一束信号光，那么在克尔非线性的作用下，泵浦光会分配两个光子分别到信号光，和信号光关于泵浦光频率对称位置处的光，这个对称位置的光一般称为闲频光。基于四波混频可以实现很多信号处理功能，比方说波长转换，信号再生，参量放大等。
其中，本发明中提到的光学非线性效应包括但不局限于由光引起物质非线性极化产生的光学非线性效应。
在一种可能的示例中，所述激光的频率与谐振腔的谐振频率一致，随谐振频率的变化而变化。
在一种可能的示例中，所述有源部件，包括：增益介质。
具体地，增益介质可以是稀土离子掺杂介质，也可以是半导体材料等非掺杂介质。
可以理解的是，当增益介质是掺杂介质时，有源部件可以是掺杂光纤放大器（常见的掺杂元素如饵Er、钇Yb或铥Tm等等）、掺杂固态晶体放大器（如Nd:YAG，Yb:YAG，Er:YAG）等；当增益介质是非掺杂介质时，有源部件可以是半导体光放大器（SOA）或液体光放大器等。
在一种可能的示例中，所述有源部件，还包括：第一反射件；
所述无源部件包括：第二反射件；
所述第一反射件与第二反射件分别构成所述谐振腔的两端。
在一种可能的示例中，所述有源部件包括：光放大器。
其中，通常情况下光放大器包含光增益介质。
示例地，有源部件为一端镀有高反射膜的光放大器。高反射膜作为第一反射件。
在一种可能的示例中，所述无源部件还包括：至少一个光学件；
所述至少一个光学件用于接收信号光并将光学非线性效应之后产生的光信号输出。
在一种可能的示例中，所述至少一个光学件包括以下器件中的一种或多种中的至少一个：微环谐振腔、波分复用器、波导、光栅以及光耦合器等。
在一种可能的示例中，所述有源部件的小信号增益大于第一预设值，最大输出光功率大于第二预设值。
在一种可能的示例中，所述无源部件的材料损耗小于第三预设值。
在一种可能的示例中，所述有源部件和无源部件的连接损耗小于第四预设值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种自启动全光信号处理器件，在器件内部加入了有源部件，无源部件提供光学非线性效应产生的区域，且产生激光的谐振腔由有源部件和无源部件共同构成，产生的激光能够供器件自身使用，无需向外输出，器件的激光产生阈值可以被有效降低，器件内的最高能量密度也能得到数倍的提高；且激光的频率由谐振腔频率决定，随着谐振腔谐振频率的变化而变化，因此器件无需外部泵浦激光扫频输入，大大减小了器件成本，极大的方便了集成的需求，器件的稳定性也得到了极大提高。与激光的自注入锁定系统相比，本发明有源区未直接构成谐振腔，其激射频率完全依赖于器件状态，其抗干扰能力和鲁棒性优于激光的自注入锁定。
附图说明
图1是现有技术提供的外部激光扫频谐振峰漂移示意图；
图2是现有技术提供的自注入锁定系统的结构示意图；
图3是现有技术提供的自注入锁定锁定动态锁定频率示意图；
图4是本发明实施例提供的自启动全光信号处理器件的架构图；
图5是本发明实施例提供的用于自启动全光信号处理器件的实现流程图；
图6是本发明实施例提供的自启动全光信号处理器件的一种具体结构示意图；
图7是本发明实施例提供的自启动全光信号处理器件的另一种具体结构示意图。
具体实施方式
为方便理解，下面先对本申请实施例所涉及的英文简写和有关技术术语进行解释和描述。
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
本发明提供了一种自启动全光信号处理器件，该器件基于光学有源部件和无源部件实现。有源部件为器件提供增益，以满足自发激光增益条件；无源部件为器件非线性效应的承载者，同时也承担激光谐振腔的构成，以满足激光产生的纵模条件。
图4是本发明实施例提供的自启动全光信号处理器件的架构图；如图4所示，该器件包括：
有源部件和无源部件；
所述有源部件，用于提供光学增益；
所述无源部件，用于与有源部件形成谐振腔，且提供光学非线性效应产生的区域；
所述有源部件在激励源的作用下启动光学增益，之后在谐振腔内产生激光；所述激光作为无源部件内的泵浦光，使得输入到无源部件内的信号光与泵浦光产生光学非线性效应后输出。
在一种可能的示例中，所述激光的频率与谐振腔的谐振频率一致，随谐振频率的变化而变化。
在一种可能的示例中，所述有源部件，包括：增益介质。
在一种可能的示例中，所述有源部件，还包括：第一反射件；
所述无源部件包括：第二反射件；
所述第一反射件与第二反射件分别构成所述谐振腔的两端。
在一种可能的示例中，所述有源部件包括：光放大器。
在一种可能的示例中，所述无源部件还包括：至少一个光学件；
所述至少一个光学件用于接收信号光并将光学非线性效应之后产生的光信号输出。
在一种可能的示例中，所述至少一个光学件包括以下器件中的一种或多种中的至少一个：微环谐振腔、波分复用器、波导、光栅以及光耦合器。
在一种可能的示例中，所述有源部件的小信号增益大于第一预设值，最大输出光功率大于第二预设值；
在一种可能的示例中，所述无源部件的材料损耗小于第三预设值。
在一种可能的示例中，所述有源部件和无源部件的连接损耗小于第四预设值。
具体地，有源部件存在于器件之内，为自发产生激光提供增益；无源部件构成针对期望激光的谐振腔，为自发产生激光提供相位条件。产生的激光的频率直接由谐振腔决定，且与谐振腔的谐振频率重合。当谐振腔受到因光热效应或者环境扰动带来的谐振频率漂移时，自发产生激光的频率跟随谐振频率变化。以此作为泵浦光，可以避免从外界输入激光需要扫频的缺陷，同时器件的稳定性也将得到显著提升。
自发产生的泵浦激光仅需在无源部件用来与加载待处理信号的信号光发生非线性效应，而无需输出，其具有自发产生激光的阈值电流低、最大光功率高等优势。
非线性效应主要发生在无源部件，其除了需要满足与有源部件一起构成激光谐振腔的条件外，无具体结构的限制。
可以理解的是，由于器件发生光学非线性效应所需的泵浦光依靠器件自身产生，根据激光产生条件，其频率自发与腔的谐振频率重合，其不存在因诸如光热效应等带来的失谐，器件可以实现自启动，其稳定性也将大大提高。除此以外，整个器件自发产生的泵浦激光仅需在器件内发生光学非线性效应，无需向外输出激光，器件的激光产生阈值可以被有效降低，器件内的最高能量密度也能得到数倍的提高。
更进一步地，所述有源部件为半导体光放大器（SOA）、掺杂稀土离子光纤等可以提供光学增益的器件，其小信号增益和最大输出光功率越高越好。
更进一步地，所述无源部件为普通光学结构，包含波导、耦合器、反射器件、光学谐振腔等，其主要作用有二，一是全光信号处理器件光学非线性效应的主要发生区域；二是与有源部件一起形成谐振腔，自发在器件内产生激光。
整个器件无需外界激光器的直接输入，其可靠器件内部有源区的光学增益和光学谐振腔的存在自发产生泵浦激光。自发产生激光的频率天然与谐振腔谐振频率重合，整个器件不存在因光热效应带来的腔漂移导致的失谐现象，无需再以扫频地方式将泵浦光注入，从而确保了器件可以自启动，且器件的稳定性也将大大提高。
更进一步地，有源部件的小信号增益和最大输出光功率越高越好，所使用的有源部件小信号增益处于15dB以上，最大输出光功率处于10dBm以上。
更进一步地，无源部件损耗越低越好，所使用的材料损耗为3dB/cm以下。
更进一步地，有源和无源部件之间的连接损耗越低越好，所使用的连接方式带来的损耗为6dB以下。
本发明克服了现有全光处理器件需要外部激光扫频启动、稳定性较差的问题，提供了一种自启动全光信号处理器件。
具体的，本发明利用在全光信号处理器件内部引入有源部件，提供了一种可以自启动、稳定性高的全光信号处理器件。
本发明提供的自启动全光信号处理器件需要满足如下条件：（1）器件能够自发产生泵浦激光，且产生的泵浦激光功率越高越好；（2）自发产生的泵浦激光与携带待处理信号的信号光存在作用区域。
参见图5所示，本发明通过如下设计满足上述要求：（1）器件包含有源部件，为器件提供增益，其小信号增益和最大输出光功率越高越好；（2）无源部件与有源部件一起构成一个谐振腔，从而满足激光的纵模条件；（3）选择合适的材料制造无源部件，所选材料损耗越低越好；（4）有源部件与无源部件的连接处通过设计模式转换器降低连接损耗。
如图6所示，本发明由有源部件和无源部件组成，有源部件为器件提供增益，同时有源部件和无源部件一起组成谐振腔，一次满足形成激光的条件。在此实施例中，有源区采用了半导体光放大器，其左端镀高反膜，右端与无源部件连接。无源部件包含波分复用器（Wavelength Division Multiplexing，WDM）、波导和布拉格反射光栅（Bragg反射镜）。通过半导体光放大器左端的高反膜与布拉格反射光栅的反射，形成了谐振腔，结合半导体光放大器的光增益，器件上电后，可以自发产生泵浦激光。根据产生激光的原理，自发产生激光的频率始终与谐振腔的谐振频率重合，故其无需外部激光扫频输入，且谐振腔漂移之后，泵浦激光频率也会对应变化，器件具有优异的稳定性。信号光通过波分复用器进入波导，在波导里与泵浦激光发生光学非线性效应，完成全光信号处理，而后通过另外一个波分复用器将处理结果输出。
需要说明的是，图6中波导2和波导3为谐振腔内部区域，波导3也为光学非线性效应产生的区域。波导1用于接收信号光输入。
本发明实施实例的一组具体参数如下表1给出：
表1
本发明的无源部件仅需满足与有源部件构成谐振腔，而无具体结构的限制，如图7所示的结构，无源部件包含多个微环谐振腔，其依靠萨格纳克反射镜与SOA左端的高反射膜形成激光腔，非线性效应主要发生在微环1内，此类器件也应纳入本发明保护范围。
需要说明的是，图7中微环1和微环2为谐振腔内部区域，微环1作为非线性效应主要发生的区域，微环2是利用游标卡尺效应起到纵模选模的作用。微环3用于将信号光耦合进出微环1。
具体地，本发明可以设计谐振腔内部无源部件部分的光路形状，如微环阵列、耦合器等，不同谐振腔结构具有不同的非线性信号处理性能。由于光路形状不同，光程也不同，因此纵模产生条件不同，可以灵活调整谐振腔的纵模来选出预设频率的激光，并且所产生的激光的频率与谐振腔的谐振频率重合。
应当理解的是，可以在本申请中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本申请中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是可拆卸地连接，也可以是不可拆卸地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。其中，“固定连接”是指彼此连接且连接后的相对位置关系不变。“转动连接”是指彼此连接且连接后能够相对转动。“滑动连接”是指彼此连接且连接后能够相对滑动。本申请实施例中所提到的方位用语，例如，“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方位用语是为了更好、更清楚地说明及理解本申请实施例，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。
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以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种自启动全光信号处理器件，其特征在于，包括：有源部件和无源部件；
所述有源部件，用于提供光学增益；
所述无源部件，用于与有源部件形成谐振腔，且提供光学非线性效应产生的区域；所述有源部件，包括：第一反射件；所述无源部件包括：第二反射件；所述第一反射件与第二反射件分别构成所述谐振腔的两端；
所述有源部件在激励源的作用下启动光学增益，之后在谐振腔内产生激光；所述激光作为无源部件内的泵浦光，使得输入到无源部件内的信号光与泵浦光产生光学非线性效应后输出；所述激光的频率与谐振腔的谐振频率一致，随谐振频率的变化而变化。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述有源部件，包括：增益介质。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述有源部件包括：光放大器。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述无源部件还包括：至少一个光学件；
所述至少一个光学件用于接收信号光并将光学非线性效应之后产生的光信号输出。
5.根据权利要求1至4任一项所述的器件，其特征在于，所述有源部件的小信号增益大于第一预设值，最大输出光功率大于第二预设值。
6.根据权利要求1至4任一项所述的器件，其特征在于，所述无源部件的材料损耗小于第三预设值。
7.根据权利要求1至4任一项所述的器件，其特征在于，所述有源部件和无源部件的连接损耗小于第四预设值。
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| CN202311588862.6A CN117293654B (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 一种自启动全光信号处理器件 |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 基于回音壁模式微腔的激光自注入锁定技术;陈旭，刘静敏等;中国激光;第49卷(第19期);第1-14页 * |
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| CN117293654A (zh) | 2023-12-26 |
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