CN1308765C

CN1308765C - 差频型全光波长转换器

Info

Publication number: CN1308765C
Application number: CNB031253482A
Authority: CN
Inventors: 孙军强; 刘威; 罗传红
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: CN1490658A

Abstract

本发明公开了一种差频型全光波长转换器，依次包括激光光源、偏振控制器、光耦合器、变周期分布π相移域光栅波导、光滤波器和光纤，偏振控制器对泵浦光和信号光的偏振态进行调节和控制，再通过光耦合器同时耦合进光波导中，产生新的差频光，新光场通过光滤波器输出。不同周期分布的π相移域，使元件的波长转换效率随泵浦波长的变化曲线由原来的单峰曲线的变为具有多个峰值的梳状曲线，从而使光波长转换器可以工作于多个不同的泵浦波长窗口，大大提高了有效泵浦带宽。该波长转换器具有多个等间隔分布的泵浦波长窗口，其窗口数目、位置和间隔可通过参数设计和温度控制进行调整，从而具备可适用于波分复用系统的宽带可调谐能力。

Description

差频型全光波长转换器

技术领域

本发明属于光通信器件技术领域，具体涉及一种差频型全光波长转换器，它主要适用于波分复用光通信系统，可以实现系统中宽带可调谐的单信道光波长转换或多信道同时的光波长转换。

背景技术

光纤通信具有无与比拟的高速率、低损耗等优点，近年来取得了很大发展，并成为现代通讯的主要手段。密集波分复用(DWDM)技术目前被广泛应用于光纤通信网络中，它通过在一根光纤中同时传输若干路不同波长、间隔适当且相互独立的光信号，从而使同一根光纤信息传输的等效比特率增加若干倍。光波长转换器是DWDM光通信网络的关键性器件之一，它能实现信息从一个波长的光载波到另一个波长的光载波的复制，在网络互联、波长路由、波长再用和光交换等方面有着广泛的应用，能大大提高网络的灵活性和可靠性。

目前光网络中所使用的光波长转换器基本上都是基于光—电—光工作方式，首先将需要进行波长变换的光信号进行探测并转换为电信号，再利用此电信号去重新调制新的波长的激光器，从而实现光波长变换。尽管技术上较为成熟，但装置复杂，灵活性差，成本随速率和元件数的增加而增加，且信号码型和速率不透明，难以满足未来光通信网络的要求。与之相比，基于合适的光学机理的全光波长转换器能在光域内实现信息在波长信道之间的转换，可满足未来光通信网络的要求，因而具有更好的发展前景，是近年来国内外研究开发的热点。

目前比较常见的几种全光波长转换器类型如交叉增益调制(XGM)型，交叉相位调制(XPM)型、激光器可饱和吸收型、电吸收调制(EA)型等都具有的共同问题是：对光信号的速率和调制形式不透明，实现10Gb/s以上的光信号的波长变换较为困难并且效果不理想，不具备多波长同时变换的能力。在网络节点需要对多个波长信道同时进行波长变换时，要同时设置多个波长转换器，成本大大增加。与之相比，差频(DFG)型全光波长转换器基于二阶非线性光学效应来产生新频率的光场，从而实现全光波长转换，它对信号的比特率和调制形式完全透明，理论上转换速率可达1Tb/s以上，并且能够实现多波长同时转换。我们的发明所涉及的就是一种宽带可调谐的差频型全光波长转换器的结构设计。

图1所示是差频型全光波长转换器的一般结构示意图。差频型全光波长转换器的基本原理是将需转换的信号光(频率为ω_s)和泵浦光源1提供的高功率连续波泵浦光(频率为ω_p)通过光耦合器2同时耦合进一块用非线性光学材料制备的并具有特殊结构的光波导3中，通过二阶非线性差频效应产生频率为ω_c＝ω_p-ω_s的新光场，新光场完全复制了输入信号光的强度和相位信息，频率转换间距为Δω＝ω_p-2ω_s，使用光滤波器4将新光场输出。同时输入多路不同波长的信号光时，它们将与泵浦光分别发生差频效应，过程相互独立，所以能实现多波长同时转换。

能产生有效二阶非线性效应的光波导3是差频型全光波长转换器的核心器件，它必须具备特殊结构使发生相互作用的光场间的相位失配得到补偿或校正，才能使光波导传播方向上产生的差频光场形成有效迭加，从而得到有效输出。目前一般采用准相位匹配技术，制备具有周期性域反转结构的准相位匹配光波导，常用的材料是以LiNbO₃为代表的铁电材料，也有使用以GaAs为代表的III-V族化合物半导体材料的。图2给出了准相位匹配光波导的一般结构示意图，该波导包括两部分：波导层5和衬底层6，也可以在波导层上再生长一层材料制成掩埋波导结构。与普通光波导不同的是，采用恰当工艺使波导层具备周期性域反转结构。所谓域反转可以是晶体电畴方向的反转，如对于铁电系晶体可以通过外加电场极化法制备；也可以是晶格方向的反转，可以通过特殊的材料生长工艺来实现。图2中用箭头表示晶畴的朝向，向上的箭头指代的区域为正域7，向下的箭头指代的区域为反转域8。正域7和反转域8的长度都为l_c，l_c表示相干长度，即产生π相位失配的传播长度；l_c＝π/Δβ，Δβ表示泵浦光场、信号光场和差频光场之间的波矢失配量，Λ表示准相位匹配周期且有Λ＝2l_c，Λ大小一般是几个μm至几十个μm之间。由于相邻的正域和反转域中产生的差频光场之间存在一个π的相位跳变，所以沿波导传播方向上不断产生的差频光之间的相位失配能得到周期性补偿，使差频光场形成有效迭加，差频光强度和功率随传播距离的增大而不断增大。实际上准相位匹配光波导是一种光栅结构，但它属于非线性光栅(即调制的是非线性电极化率)，与普通的线性光栅(调制的是折射率)不同。

该方案存在的主要问题是泵浦波长只能工作在某一固定值附近，泵浦带宽很窄，所以波长转换器的可调性很弱，不能满足实用化要求。这是因为制作好的波导上的准相位匹配周期Λ是固定的，所以与之相匹配的泵浦波长也是确定的。泵浦波长调谐曲线(波长转换效率随泵浦波长的变化曲线)是一个sinc²形态的单峰曲线。由于光场间的波矢失配量Δβ对泵浦波长的变化非常敏感，泵浦波长改变时光场间的波矢失配量会明显变化，此时准相位匹配条件不再成立，输出的差频光功率会急剧减小，泵浦波长偏离中心波长到一定程度时，输出的差频光功率几乎为零。

目前所报道的改善差频型全光波长转换器的泵浦带宽的主要方法是采用啁啾(chirp)的准相位匹配光波导。图3给出了这种光波导的结构示意图，光波导包含若干具有不同的准相位匹配周期的子段(段数用n表示)，每段的长度分别用L₁、L₂……L_n表示，每段内的准相位匹配周期分别用Λ₁、Λ₂……Λ_n表示。合理选取参数，可以使泵浦波长可调范围即泵浦带宽增加3-4倍。该方法依然存在一些问题：首先是泵浦带宽的展宽程度有限，例如长度为40mm的LiNbO₃光波导的3dB带宽可以从0.15nm左右增加到0.6nm左右，和实用化要求泵浦带宽应达到10nm以上仍然相差很远；此外由于要求的啁啾量很小，即每个子段的准相位匹配周期间的差异必须在1nm左右，制作过程中难以精确控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷的差频型全光波长转换器，该波长转换器具有多个等间隔分布的泵浦波长窗口，其位置和间隔可调整，从而具备适合于波分复用系统特点的宽带可调谐能力。

本发明的一种差频型全光波长转换器，依次包括激光光源、偏振控制器、光耦合器、光栅波导、光滤波器和光纤，偏振控制器对泵浦光和信号光的偏振态进行调节和控制，再通过光耦合器同时耦合进光栅波导中，产生新的差频光，差频光通过光滤波器输出；其特征在于：所述光栅波导划分成子段，每个子段具有相同的准相位匹配周期，但又分别插入了不同分布周期的π相移域，光波导各子段长度和插入的π相移域数目与所要求泵浦窗口位置的关系应满足式：Δλ＝±π(m_i+1)/(kL_i)，式中Δλ为泵浦波长工作窗口位置，m_i表示第i个子段包含的π相移域的数目，L_i表示第i个子段的长度，k是比例系数。

本发明通过引入分段周期性分布的π相移域的准相位匹配光波导，可以使差频型光波长转换器能工作于多个不同的泵浦波长窗口，有效泵浦带宽与现有技术相比大大增加。首先，依据不同的使用要求合理选取π相移域的分布参数，可以灵活地设计出多种多样的泵浦波长调谐曲线，泵浦波长工作的窗口数量、窗口位置以及窗口间隔都随π相移域的分布参数的改变而改变，而且由于π相移域的周期性分布，泵浦波长工作窗口呈现等间隔梳状分布。进一步，我们再使用合适的温度控制器对上述的光波导进行小范围的温度调节和控制，温度的改变会对光波导造成微小的热胀冷缩，导致波导内的准相位匹配光栅周期产生微小的改变，所以波导的温度改变时它的泵浦波长工作窗口会发生整体漂移，则可以使我们所构建的差频型全光波长转换器具备宽带连续可调谐能力。通过以上两种方法，就可以根据需要在一定的范围内灵活地选择的泵浦波长工作窗口的具体位置，实现泵浦波长的宽带连续可调谐，使波长转换器具备适用于波分复用系统所要求的宽带连续可调谐能力。

附图说明

图1为差频型全光波长转换器的一般结构示意图；

图2为准相位匹配光波导的一般结构示意图；

图3为分段啁啾的准相位匹配光波导的结构示意图；

图4A为本发明设计的分段周期性分布π相移域光波导的整体结构示意图；

图4B为本发明设计的π相移域的具体构造示意图；

图5为本发明设计的一条长为42mm的LiNbO₃光波导的相对波长转换效率随泵浦波长的变化曲线；

图6为本发明设计的一条长为21mm的LiNbO₃光波导的相对波长转换效率随泵浦波长的变化曲线；

图7为本发明设计的一条长为38.4mm的LiNbO₃光波导的相对波长转换效率随泵浦波长的变化曲线；

图8为本发明设计的光波长转换器的整体结构装置示意图。

具体实施方式

本发明设计的差频效应的光波导的结构如图4所示，它在传统的准相位匹配光栅结构中引入了按分段周期性样式分布的π相移域。图4A所示，光波导分为L1、L2……Ln若干子段。每个子段都具有相同准相位匹配周期的光栅结构，都包含有若干个按周期性样式分布的π相移域9，但π相移域9在各个子段内的分布周期互不相同。π相移域结构如图4B所示，π相移域实际上就是在正负域交替出现的准相位匹配光栅结构中引入的长度为半个准相位匹配周期的间断区域，长度为0.5Λ，因为0.5Λ的传播距离对应于发生差频效应的光场间的π的位相失配，它在前后两段光栅结构间引入了π的相对相位差，所以称之为π相移域。实际制作π相移域时就是在原本应相邻的正域和反转域之间插入一个重复的正域或反转域，实现起来非常简单。

理论上π相移域的分布可提高波长转换器的泵浦工作的带宽。使用i表示子段序号，i＝1，2，3，……n，n表示光波导包含的总的子段数量。使用m_i表示第i个子段中所包含的按周期性样式分布的π相移域的数量，L_i表示第i个子段的长度。通过理论分析可以推导出当(Δβ-2π/Λ)·(L_i/(m_i+1))＝±π时，E_i(L)可达到峰值，峰值大小约为|κ|d·L_i·(2/π)²。式中d表示二阶非线性系数的大小，k＝i·(ω_c/n_cc)·E_pE_s*，E_p和E_s分别表示泵浦光和信号光的幅值，ω_c表示差频光(即波长转换光)的频率，c表示真空中光速，n_c表示材料折射率。由于(Δβ-2π/Λ)·(L_i/(m_i+1))＝±π(i＝1，2，3，……n)对应于2n个不同的泵浦波长，泵浦波长调谐曲线是具有多个峰值窗口的梳状曲线，泵浦波长工作窗口的数量为2n。

在很宽的泵浦波长变化范围内(＞20nm)，Δβ-2π/Λ与泵浦波长成线性比例关系，可以将Δβ-2π/Λ表示为Δβ-2π/Λ＝k(λ_p-λ_p0)，式中λ_p表示泵浦波长，λ_p0表示对应于Δβ-2π/Λ＝0的泵浦波长，k是比例系数。将其代入(Δβ-2π/Λ)·(L_i/(m_i+1))＝±π可得Δλ＝λ_p-λ_p0＝±π(m_i+1)/(kL_i)，即Δλ∝(m_i+1)/L_i，可见如果选择等差的(m_i+1)/L_i，就可以使泵浦波长工作窗口呈现等间隔分布，使其符合波分复用系统的要求。如果令各个子段的长度L_i相等，则只需选取等差的m_i就可以简单地实现多个泵浦波长工作窗口的等间隔分布。每个子段的长度也可以设计为不相等，但取为相等可使相应波长窗口的差频转换作用长度相等，梳状曲线的各个峰值也就大致相等。这里我们给出当选取各个子段的长度相等时的几组合适的π相移域的分布参数：1)每个子段内包含的周期性分布的π相移域的数量分别为1、4、7、10……；2)每个子段内包含的周期性分布的π相移域的数量分别为2、7、12、17……；3)每个子段内包含的周期性分布的π相移域的数量分别为3、10、17、24……；4)每个子段内包含的周期性分布的π相移域的数量分别为4、13、22、31……。

制作上述的光波导可选用多种不同的非线性光学材料，具体的波导结构尺寸和制作方法也因材料和技术参数要求的不同而有所不同。我们选用最具代表性的LiNbO₃材料来制备z切LiNbO₃光波导，z切即光轴垂直于波导平面，波导层一般采用质子交换法制备。这里给出我们选用的波导基本参数：光波长转换区间为1.55μm波段；波导宽度约为8μm，深度约为0.6nm，此时泵浦光、信号光和差频光在波导中都以TM基模传播，对应的二阶非线性系数分量为d₃₃约为23.5pm/V；波导损耗系数约为0.35dB/cm(1.55μm波段)和0.70dB/cm(0.77μm波段)。

下面给出几个设计实例及相应的效果：

图5所示的是我们所设计的一条长为42mm的LiNbO₃光波导的相对波长转换效率η_rel随泵浦波长λ_pump的变化曲线。光栅的准相位匹配周期选取为15.31μm，对应的泵浦匹配波长为775nm附近。采用的π相移域的分布参数是：42mm长的光波导包含4段长为10.5mm的子段，每个子段内包含的周期性分布的π相移域的数量分别为2、7、12、17，即分布周期分别为3.50mm、1.25mm、0.81mm、0.58mm。从图5中我们可以看到光波长转换器可以工作于8个等间距的泵浦波长窗口，间距为1.6nm，符合ITU关于波分复用系统的波长间距标准，8个窗口的中心波长分别是769.4nm、771.0nm、772.6nm、774.2nm、775.8nm、777.4nm、779.0nm、780.6nm，每个窗口的3dB宽度都为0.4nm左右。与现有的只能工作于单一的泵浦波长窗口的差频型光波长转换器相比有效泵浦带宽得到了很大改善，8个泵浦波长工作窗口跨越的总波长范围约为10nm，具备宽带可调谐能力。

图6所示的是我们所设计的一条长为21mm的LiNbO₃光波导的相对波长转换效率η_rel随泵浦波长λ_pump的变换曲线。采用的π相移域的分布参数是：21mm长的光波导包含2段长为10.5mm的子段，每个子段内包含的周期性分布的π相移域的数量分别为2和7，即分布周期分别为3.50mm、1.25mm。从图5中可以看到光波长转换器的泵浦波长工作窗口的数量为4个，间距同样为1.6nm，窗口的中心波长分别是772.6nm、774.2nm、775.8nm、777.4nm。

图7所示的是我们所设计的另一条长为38.4mm的LiNbO₃光波导的相对波长转换效率η_rel随泵浦波长λ_pump的变换曲线。采用的π相移域的分布参数是：38.4mm长的光波导包含4段长为9.6mm的子段，每个子段内包含的周期性分布的π相移域的数量分别为3、10、17、24，即分布周期分别为2.40mm、0.87mm、0.53mm、0.38mm。从图7中可以看到光波长转换器也是可以工作于8个等间距的泵浦波长窗口，但窗口间距为2.4nm，8个窗口的中心波长分别是766.6nm、769.0nm、771.4nm、773.8nm、776.2nm、778.6nm、781.0nm、783.4nm.8个泵浦波长工作窗口跨越的总波长范围约为17nm，具备很宽的可调谐能力。

使用合适的温度控制器对光波导进行小范围的温度调节和控制，则可以使所构建的差频型全光波长转换器具备宽带连续可调谐能力。对于LiNbO₃光波导来说，在室温附近温度的改变所导致的泵浦波长工作窗口的整体漂移约为+0.05nm/℃。因此如果对LiNbO₃光波导进行较小范围的温度调节，就可以根据需要在一定的范围内灵活地改变梳状分布的多个泵浦波长工作窗口的具体位置，从而实现泵浦波长的宽带连续可调谐。以我们前面所述的长为42mm的LiNbO₃光波导为例，由图5可以看到8个泵浦波长工作窗口跨越的波长范围约12nm，相邻窗口之间的间隔只有1.6nm，如果采用合适的温控设备对该光波导在32℃范围内进行温度调节，就可以使8个泵浦波长工作窗口完全覆盖这12nm波长范围内的所有区域。

本发明设计的光波长转换器整体结构装置如图8所示。高功率可调激光器10提供差频型光波长转换所需的高功率泵浦光(频率为ω_p)，可以选用窄线宽半导体激光器，也可选用钛宝石固体激光器。需转换的单波长或多波长信号光(光频率分别用ω_s1，ω_s2……表示)进入到波长转换器中并通过光耦合器2和泵浦光耦合到一起，再注入变周期分布π相移域的光波导11中。偏振控制器12用来对泵浦光和信号光在光纤中传输的偏振态进行调节和控制，使其与波导中的传输模式良好匹配。光波导11被置于半导体温度控制器13上，半导体温度控制器13可以根据需要实时地改变和控制光波导11的工作温度。泵浦光和信号光在光波导11中通过差频效应产生频率为ω_c1，ω_c2……的新光场，从而实现波长转换，在输出端用光滤波器4滤出新光场。

Claims

1、一种差频型全光波长转换器，依次包括激光光源、偏振控制器、光耦合器、光栅波导、光滤波器和光纤，偏振控制器对泵浦光和信号光的偏振态进行调节和控制，再通过光耦合器同时耦合进光栅波导中，产生新的差频光，差频光通过光滤波器输出；其特征在于：所述光栅波导划分成子段，每个子段具有相同的准相位匹配周期，但又分别插入了不同分布周期的π相移域，光波导各子段长度和插入的π相移域数目与所要求泵浦窗口位置的关系应满足式：Δλ＝±π(m_i+1)/(kL_i)，式中Δλ为泵浦波长工作窗口位置，m_i表示第i个子段包含的π相移域的数目，L_i表示第i个子段的长度，k是比例系数。

2、根据权利要求1所述的差频型全光波长转换器，其特征在于：所述光栅波导的各子段长度基本相等，在每个子段中所插入的π相移域数目之差相等。

3、根据权利要求1或2所述的差频型全光波长转换器，其特征在于：所述光栅波导置于半导体温度控制器上。