CN1261445A - 调制非稳定性波长变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全波导光纤变换装置,它利用调制的非稳定性在整个变换带宽上变换信号波长,同时相对于诸如采用四波混频等其它波长变换装置保持低的泵激光功率。本发明的变换装置工作在波导的反常色散区,且发生变换的波导的零色散低于泵波长,使得对于零色散波长上下的信号波长能发生变换。变换效率在约25dB－30dB范围。

Description

调制非稳定性波长变换器

发明背景

本申请的基础是1997年7月1日申请的临时申请S.N.60/051,386，该申请日要求作为本申请的优先权日。

本申请涉及利用色散移位(dispersion shifted)波导光纤中的调制非稳定性(MI：modulational instability)变换波导中传播的光信号波长的波长变换器。尤其是，这种新颖的波长变换器使用高度非线性波导光纤在宽的带宽上高效、低泵功率获得波长变换。在与本主题申请相同申请日的另一申请中揭示了一种高非线性的波导光纤并要求专利保护。

调制非稳定性(MI)是相位自匹配(self phase matched)参量放大，其中，非线性折射系数用于补偿泵脉冲与信号及变换后脉冲间的波矢量失配。也即，非线性波导(其中，泵脉冲和信号脉冲叠加)改变了泵脉冲的波矢量使泵光能转移到变换后波长的脉冲和信号脉冲。在1982年出版的量子电子学杂志QE-18卷1062-1072页由R.H.斯托伦和J.C比杰克霍尔姆等著的“参量放大和频率变换”一文中对这种变换现象有更透彻的说明。

通常，MI有比基于四波混频更高的变换效率。MI装置的变换效率随波导(变换器波导)长度呈指数增加，该波导中信号和泵脉冲相互作用。MI装置的带宽也能通过改变泵脉冲振幅来调整，由此改变非线性折射系数。

MI装置的附加优点是它工作在色散与波长整个曲线的反常色散区。术语“反常区”是指色散曲线上短波长光在波导中的传输比长波长光快的区段。按惯例，色散符号通常取反常区为正。在所谓的色散曲线的正常区，波长越长传输越快，且色散为负。于是，泵波长比变换器波导的零色散波长长。在变换器波导光纤中正常制造的变化不会导致泵或信号波长落入变换器波导的正常色散区，由此切断参量放大。变换后的脉冲和信号脉冲两者可有反常色散区中的波长，使得孤波放大(soliton amplification)和切换成为可能，并且信号脉冲波长可小于或大于泵脉冲波长。

在该申请中揭示的变换器装置可有完整的光纤结构，于是可充分利用成熟的波导光纤技术及诸如连接，接合，耦合，滤波等相关的技术。

根据多节点结构中结合的快速发展的高数据速率的需求，越来越迫切需要采用容易得到的元器件构成有效、宽频带的波长变换器。

                       发明概述

本发明满足波长变换器的如下需要：

-高变换效率；

-在覆盖掺铒杂质的光纤放大器的增益频带的整个调谐范围上具有均匀的变换效率，该范围约在1530nm-1565nm；

-全波导光纤设计；和

-相当低的泵功率要求，例如100mW数量级。

本发明中要论证的是根据在低色散高非线性(Hi-NL)光纤中感应的调制非稳定性(MI)以低泵功率进行高效波长变换。使用带有峰值功率约为600mW的脉冲泵在整个40nm带宽上获得了峰值变换效率为+28dB。通过使用有效非线性增加到～5X倍的720m的色散移位(DS)光纤，可以比先前报告过的更低泵功率获得更高出10dB的峰值变换效率和5nm宽的带宽。参见M.E.马赫克，N.凯几，T.K.蒋，和L.G.卡索夫斯几等著，光学通讯，21期573页1996年(Opt.Lett.，21，537(1996))。

本发明第一方面是提供一种波长变换装置，该装置包含传输信号脉冲的单模波导光纤和传输泵脉冲的第二波导光纤。这两个波导分别光连接到耦合器的第一和第二输入口。选择该耦合器将信号脉冲和泵脉冲两者耦连到单个输出口。第三单模波导光纤与该单个输出口光连接用于接收所述信号和泵的光脉冲。信号和泵脉冲在时间上相互分开，使两组脉冲在它们传输的第三光纤中至少部分传输时间上相互至少部分重叠。该第三波导的特征是具有大于约3(W-km)^-1的非线性常数和零色散波长λ_O。泵脉冲波长λ_P大于λ_O。

在本发明一实施例中，通过信号光但反射或吸收泵光的滤波器插入第三波导的末端部分。带通滤波器可以是诸如波导光纤栅(waveguide fibergrating)，波长依变偏振镜(wavelength dependent polarizer)，或平衡反射泵光波长和传输信号光波长的非线性光环镜(non-linear opticalloop mirror)等。可以使用同一耦合器或各自的耦合器将信号和泵光耦合到非线性光环镜，这取决于用什么样的结构与整个系统设计最相容。

在光波长变换器的实施例中，第三波导在范围约1500nm至1550nm有零色散波长λ_O。最佳范围在约1520nm至1540nm。

在本发明该方面的另一实施例中，变换后的波长λ_V遵从不等式λ_V＞λ_P＞λ_S＞λ_O。对于另一实施例，变换后的波长λ_W可以是λ_S＞λ_P＞λ_W＞λ_O。

在两组脉冲的偏振匹配情况下，可提高信号光脉冲和泵光脉冲在第三单模波导中的相互作用。于是，本发明一较佳实施例在第一或第二波导光纤中包括偏振控制器。

第三波导的较佳特性是在范围约0.03ps/nm²-km至0.10ps/nm²-km的λ_O附近的斜率和在范围约3(W-km)^-1至13(W-km)^-1的非线性常数。

本发明的第二方面是除了第一波导光纤包含第一段和第二段外其余按第一方面构成的波长变换装置，第一段在单脉冲传输方向中总的色散减少，而第二段具有实质上不变的总的线性色散。

本发明这一方面的性能参数是：

-在范围约30nm-50nm的波长变换带宽；和

-在范围约25dB-30dB的峰值波长变换效率；其中，在约3(W-km)^-1-13(W-km)^-1范围内第三波导有非线性常数，而对于泵脉冲，在约550mW-650mW范围内有峰值功率。

在一较佳实施例中，第三波导在λ_O附近的色散斜率在约0.03ps/nm²-km-0.10ps/nm²-km范围内。

本发明再一方面提供一种通过将信号脉冲发送给第一单模波导和将泵脉冲发送给第二单模波导光纤来变换光信号脉冲波长的方法。泵脉冲和信号脉冲耦连到第三单模波导，在那里两脉冲在渡过第三波导的至少部分时间上交叠。在第三波导中泵和信号脉冲共同作用，将泵光能变换为波长不同于泵或信号脉冲的光能。通过选择第三波导能有效地变换波长，在该波导中，零色散波长小于泵波长，且非线性常数在3(W-km)^-1-13(W-km)^-1内。阻止泵光通行的滤波器光耦连到与耦合器位置隔开的部分第三波导，该耦合器将光从第一第二波导耦合到第三波导。第三波导的特性如以上所定义。

信号脉冲可采用第一波导有利于整形，第一波导有总线性色散下降段或部分，和总线性色散基本不变的段。如上所述，通过在第一或第二波导中设置偏振匹配装置可使信号和泵脉冲之间的相互作用最佳。

                        附图概述

图1a和4是波长变换器工作的原理图。

图1b和1c为使用图1a波长变换器进行测量的相应增益和变换效率曲线图。

图2是相对于波长绘制的总色散曲线图。

图3a-d是波长变换器实施例的原理图。

图5功率变换效率相对于泵功率的曲线图。

图6功率变换效率相对于泵波长与变换后波长间间隔的曲线图。

                      本发明的详细说明

波长变换通过启动波长再用(wavelength reuse)、动态转接(dynamicswitching)和路由选择，增强了波分复用网络中路由协议(routingprotocols)的容量和灵活性。这也是一种用于时分复用与波分复用网络接口间网关的基本技术。波长变换方案的核心性能指标包括变换效率，我们将其定义为变换功率对输入信号功率的比。

此外，以MI参数处理为基础的变换器能支持几乎不受限制的比特率并且对信号调制格式是很显而易见的，这是因为在作为MI波长变换器的石英玻璃中对第三级非线性的响应几乎是瞬间的。

在波长变换器中使用MI具有上面所列优点。该变换器的通用性是从控制脉冲振幅选择变换后波长这一特性导出的。

在图1实施例中，波长变换器具有铒掺杂环激光器2，作为信号支路1和泵支路3的共用源。该源功率在两支路1和3之间用分束器4分开。信号支路1包含色散减少的波导光纤6，光纤6终接于光带通滤波器5。滤波后的信号由铒掺杂光纤放大器12放大，然后通过阶跃折射率光纤14传输。

泵支路3包含阶跃折射率波导8，传输泵脉冲到铒掺杂放大器10。放大后的脉冲通过可变时间延迟装置16，可变衰减器装置18和偏振控制器20。该延迟装置的设置是为了信号和泵脉冲在波导24中重叠。该衰减器用来选择变换后脉冲的功率。偏振控制器对信号和泵脉冲的偏振进行匹配以确保两脉冲的最佳相互作用。这些装置-可变延迟装置，可变光衰减器和偏振控制器是公知技术，在市场上可买到，因此这里不进一步讨论。

信号和泵脉冲耦合到具有相当高非线性系数的波导光纤24。通过波导24的长度，泵脉冲的光能转移到波长变换后的脉冲并转移到原来的信号脉冲。窄带光带通滤波器23阻止波导24来的泵信号的传输，而将信号脉冲和波长变换后的脉冲传递到分束器(splitter)27，将一部分信号和变换后的脉冲能量导向光谱分析器28和光检测器26，将电信号发送给测量装置30。

所有波长在图2的反常区32，其中，总色散曲线34表明波长增加时增加色散。

例-图1波长变换器的性能

环激光器2被锁定模式，提供波长为1546nm的2.5ps脉冲的13.3MHz列。分束器4相应地在信号支路1与泵支路3之间提供70/30的分束比。脉冲在1.2km的色散减少的波导光纤6中产生连续光谱。波导6的零色散波长在1530nm-1550nm范围。带通滤波器5具有约2nm的带宽，用于从该连续光谱选择特定的波长脉冲，再用放大器12放大到12μW。在约2km的标准阶跃折射率的波导14中该信号脉冲色散到65ps的宽度上。

在泵支路3中，通过标准阶跃折射率波导8激光脉冲色散到30ps的宽度上，由放大器10放大到平均功率为600μW。

泵脉冲受延迟器16，衰减器18和偏振控制器20的制约通过3dB耦合器22耦连到波导24。波导24长度为1.85km，在1524nm具有零色散并具有非线性系数9.9(W-km)^-1。在1546nm测量的总色散为1.05ps/nm-km。信号和变换后的波长经0.9nm带通滤波器23选择并在快速光二极管26检测后传递到振荡器30。根据振荡器振幅的测量对变换效率提供功率增益的测定。通过测量激光重复率的脉冲可消除任何ASE。

在任意单位中的实验增益如图1b中10个数据点36所示。图1b中实线所示理论增益相对于信号和泵波长的间隔作成曲线。图1c中实线所示理论变换效率相对于信号和泵波长的波长间隔作成曲线。请注意，图1c中变换效率数据点38与理论曲线40能很好吻合。

通过下面的讨论能理解增益和变换效率的分析含义。基于MI的波长变换的带宽和效率取决于非线性支援的传播矢量的相位匹配和非线性感应的参量增益。如果共同传播的信号、变换后的波长和泵的传播常数分别为k_s、k_a和k_p，那么线性相位失配为Δk＝k_s+k_a-k_p。相位失配与感应非线性为(1)       k＝Δk+2γP其中 $\mathrm{\γ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λp}}\frac{n_2}{A_{\mathrm{eff}}}$ 是光纤的非线性系数，λ_p是泵波长，n₂是非线性折射率，A_eff是有效模埸区，P是泵功率。参量增益由下式给出 $\left(2\right)---g=\sqrt{{\left(\mathrm{\γp}\right)}^2-{\[\frac{\mathrm{\κ}}{2}\]}^2}$

并代表与-4γp＜Δk＜0相对应的整个变换带宽的实际增益。参见4.R.H.斯托伦和J.E比焦克霍尔姆.IEEE J.量子电子，QE-18期，1062页(1982)。如果Δk对于泵波长展开到第三级且泵波长位于零色散波长(λ_O)附近，则它可表达为 $\left(3\right)----\mathrm{\Δk}\≈-\frac{2\mathrm{\πc}}{{\mathrm{\λ}}_p^2}\[\frac{\mathrm{dD}}{\mathrm{d\λ}}{|}_{{\mathrm{\λ}}_0}({\mathrm{\λ}}_p-{\mathrm{\λ}}_0)\]{\left(\mathrm{\Δ\λ}\right)}^2$ 其中 为光纤的第三级色散，而Δλ＝(λ_p-λ_a)＝(λ_s-λ_p)描述了泵和信号或变换后波长间的波长间隔，是变换带宽的一半。等式(2)和(3)遵守g是实数的要求，表明经过参量增益的变换带宽的非线性显函数关系为Δλ∝2(γp)^1/2。

假设对泵、信号和变换后的波长为单模传播和相同的偏振，则MI变换效率为 $\left(4\right)----\mathrm{\η}=\frac{P_a\left(L\right)}{P_s\left(O\right)}={\left(\frac{\mathrm{\γP}}{g}\right)}^2{\sinh }^2\left(\mathrm{gL}\right)$

其中L是光纤长度。等式(4)的导出忽略了泵的减压，光纤损耗，竞相非线性处理(competing nonlinear processes)，和当泵和信号脉冲化时两者之间的失步(walk-off)。由于这些作用减低了增益，故(4)中的变换效率是实际上的最大值。在固定相位匹配条件下(即，对于Δk＝-2γP)，变换效率对于非线性的显函数为η∝sinh²(γPL)。

比较例-图4波长变换器的性能

图4波长变换器的信号支路50采用彩色中心激光器42，用调制器44调制振幅，并连接到3dB耦合器46。输入信号功率约为1mW。

铒光纤环激光器提供泵支路60，具有波长为1534.6nm的2.5ps脉冲的13.3MHz列。在4km长的标准阶跃折射率的单模波导52中这些脉冲被加宽到约100ps。铒光放大器54将脉冲放大到平均功率4mW。泵脉冲经2nm带通滤波器56滤波，通过可变衰减器58和偏振控制器62使与信号脉冲的交互作用达最佳，再连接到3dB耦合器46。耦合器46将信号和泵脉冲耦合到波导光纤64，其中，泵脉冲的功率转移到信号脉冲和变换后的波长脉冲。

波导64具有零色散波长1534nm，非线性常数9.9(W-km)^-1，和长度720m。波导64的衰减约为0.6Db/km，色散斜率为0.05ps/nm²-km。请注意，低色散斜率改善了波长变换器的关于变换波长带宽的性能。分束器66发送部分信号和变换后的波长信号到光谱分析器70。信号和变换后的波长功率的剩下部分经2nm带通滤波器68滤波，由快速光二极管72检测，该二极管将电信号发送给示波器74。

变换效率，即图4中装置的变换后信号功率与输入信号功率之比，如图5中数据点78所示，随泵功率增加而迅速增加。变换效率的饱和是由于非线性感应泵和信号脉冲加宽和出现大量更高阶变换波长。实线曲线76是建立在上面所给变换效率等式基础上的理论曲线，并假定信号对泵波长间隔为10.4nm。

作为泵脉冲和信号脉冲波长间隔的函数的变换效率如图6所示。请注意，最大变换效率为28dB，有效变换带宽为约40nm。这些结果使用约600mW的泵功率能方便获得，振幅量级不超过已有技术中所报导的。如先前所述，实线曲线80是dB表达的变换效率。数据点82能很好地与理论曲线80相吻合。

应当看到，可使用图1a和图4所示基本光路的大量变化例来实施本发明。例如，图3a示出用耦合器92将信号波导84和泵波导86耦合到具有高非线性系数的色散移位波导88的例子。色散移位波导在泵波长的总色散可方便地做到约0.4 ps/nm²-km。滤波器92传送信号和变换后的波长，但阻止泵波长。

图3b所示实施例除了偏振滤波器94外，与图3a的相同，该滤波器94阻止泵波长，插接在波导88的端部，刚好在滤波器92之前。在该实施例中，能够改善发送的原始信号和变换后的波长信号的强度的滤波器92可不需要。

图3c的实施例将色散移位波导组合到非线性光环镜96中。选择耦合器98在顺时针方向中绕环传播原始信号，而且泵信号的耦合使得在顺时针和反时针各方向中各传播一半泵功率。泵波长滤波器92反射泵光在环镜底部回到耦合器，于是，从沿连续光通信链路传播的信号光中滤除泵光。

采用非线性环镜的另一变化结构显示在图3d中。在这种情况下，泵功率耦合到环96的底部，并被分束在顺时针和反时针两方向中沿环镜传播。在滤波器92用来返回未用过的泵功率引环镜之前，信号84在环上空间隔离泵功率耦合器的点上传播。信号在顺时针方向绕环传播，与泵光相互作用，且信号和变换后的波长信号经耦合器100耦合，离开环镜并继续沿波导102传播。

高密度网络中的MI波长变换器装置可大量应用于所有级别的电信结构。由于这种新颖的波长变换器具有原始信号和波长变换后的信号两种输出，故该装置还可应用于逻辑电路中。

因此，这种新颖的变换器具有如下优点：

-允许使用已有波导和波导元件及连接技术的所有波导光纤结构；

-在低泵功率上具有高效率；

-宽带宽；和

-满足各种要求的优良的通用性。

本发明论证了至少在40nm上的波长变换，通过在色散移位光纤中使用感应调制的非稳定性，在600mW的泵功率具有28dB的峰值效率，即，λ_O移位靠近1550nm工作窗口，有效非线性增强5X倍。非线性增强把泵功率要求减少到1/5，且对相同的变换带宽在已有技术的DS光纤的对应长度上将峰值功率改善900倍。

虽然这里揭示和描述了本发明的特定实施例，但不作为对本发明的限定，本发明仅由所附权利要求书加以限定。

Claims (21)

1.一种波长变换装置，包含：

具有至少第一和第二输入口及至少第一输出口的耦合器；

与第一输入口相连的第一单模波导光纤，用于传播波长为λ_s的信号光脉冲；

与第二输入口相连的第二单模波导光纤，用于传播波长为λ_p的泵光脉冲；

所述信号脉冲和所述泵脉冲通过第一输出口离开所述耦合器，第一输出口连接具有零色散波长λ_o的第三单模波导光纤的第一端，所述信号脉冲和泵脉冲同步，在第三波导光纤中它们的至少部分传输时间上至少部分重叠；

其中，λ_p大于λ_o且第三波导的特征在于非线性常数大于3(W-km)^-1。

2.如权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，第三波导具有第二端，且所述波长变换装置进一步包含滤波装置，在第三波导第二端附近操作耦连到第三波导，用于阻止波长为λ_p的光进一步在第三波导光纤中传播。

3.如权利要求2所述的波长变换装置，其特征在于，所述滤波装置是光带通滤波器，选择反射波长为λ_p的光。

4.如权利要求2所述的波长变换装置，其特征在于，所述滤波装置是平衡反射波长λ_p光和发送波长λ_s光的非线性光环镜。

5.如权利要求4所述的波长变换装置，其特征在于，波长λ_p光和波长λ_s光通过同一耦合器耦连到所述环镜。

6.如权利要求4所述的波长变换装置，其特征在于，波长λ_p光和波长λ_s光通过各自的耦合器耦连到所述环镜。

7.如权利要求2所述的波长变换装置，其特征在于，所述滤波装置是传递λ_s和反射λ_p的波长相关偏振镜。

8.如权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，第三波导在1500nm到1550nm范围具有λ_o。

9.如权利要求8所述的波长变换装置，其特征在于，第三波导在1520nm到1540nm范围具有λ_o。

10.如权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，所述信号光变换为具有波长λ_v的光，且λ_v＞λ_p＞λ_s＞λ_o。

11.如权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，所述信号光变换为具有波长λ_v的光，且λ_s＞λ_p＞λ_w＞λ_o。

12.如权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，进一步包含在第一或第二单模波导光纤中的偏振控制器，用以在第三波导中改进泵光脉冲与信号光脉冲的相互作用。

13.如权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，其中，第三波导中总的线性色散斜率在λ_o波长附近时在约0.03ps/nm²-km至0.10ps/nm²-km范围。

14.如权利要求1所述的波长变换装置，其特征在于，其中，第三波导中非线性常数在约3(W-km)^-1至13(W-km)^-1范围。

15.一种波长变换装置，其特征在于，包含：

具有至少第一和第二输入口及至少第一输出口的耦合器；

与第一输入口相连的第一单模波导光纤，用于传播波长为λ_s的信号光脉冲；

与第二输入口相连的第二单模波导光纤，用于传播波长为λ_p的泵光脉冲；

所述信号脉冲和所述泵脉冲通过第一输出口离开所述耦合器，第一输出口连接具有零色散波长λ_o的第三单模波导光纤的第一端，所述信号脉冲和泵脉冲同步，在第三波导光纤中它们的至少部分传输时间上至少部分重叠；

其中，λ_p大于λ_o，且第一波导光纤包含总线性色散在光传播方向中下降的第一单模波导段和具有总线性色散实质上不变的第二单模波导段。

16.如权利要求15所述的波长变换装置，其特征在于，其中，泵光脉冲在约550mW-650mW范围具有峰值功率，发生波长变换的带宽在约30nm-50nm范围，峰值波长变换效率在约25dB-30dB范围，和第三波导非线性常数在约3(W-km)^-1-13(W-km)^-1范围。

17.如权利要求15所述的波长变换装置，其特征在于，第三波导在λo附近的总线性色散斜率在约0.03ps/nm²-km-0.10ps/nm²-km范围。

18.一种变换光信号脉冲波长的方法，其特征在于，包含步骤为：

a)将波长λ_s的信号光脉冲发送进入第一单模波导光纤；

b)将波长λ_p的泵光脉冲发送进入第二单模波导光纤；

c)利用具有至少两个输入口和至少一个输出口的耦合器，将所述信号脉冲和泵脉冲耦合进与所述至少一个耦合器输出口相连的具有零色散波长λ_o的第三单模波导光纤；

d)在空间隔离所述至少一个耦合器输出口的位置处滤除第三波导的泵光功率；和

e)同步所述信号脉冲和所述泵脉冲，使至少部分信号脉冲与至少部分泵脉冲在所述信号脉冲和所述泵脉冲在第三波导中传输的至少部分时间上重叠；

其中，λ_p＞λ_o，且第三波导光纤的非线性常数在约3(W-km)^-1-13(W-km)^-1范围。

19.如权利要求18所述的变换光信号脉冲波长的方法，其特征在于，进一步包含，通过在约0.03ps/nm²-km-0.10ps/nm²-km范围选择在λ_o附近具有斜率的第三波导使波长变换带宽达最佳的步骤。

20.如权利要求18所述的变换光信号脉冲波长的方法，其特征在于，进一步包含，利用包含总线性色散在光传播方向中下降的第一波导段和总线性色散实质上不变的第二波导段的第一波导光纤对信号脉冲整形的步骤。

21.如权利要求18所述的变换光信号脉冲波长的方法，其特征在于，进一步包含，在将信号脉冲和泵脉冲耦合进第三波导前对所述信号脉冲和泵脉冲的偏振进行匹配的步骤。

Images