本发明涉及的是一种光通信技术领域的波长转换器件制作方法，具体地说，涉及的是一种双泵浦波长可调宽带全光波长转换器的制作方法。背景技术
现有的波长转换器件，主要有基于半导体光放大器（S0A)的交叉增益调制和交叉相位调制波长转换器、Mach-Zehnder波长转换器，但它们对输入信号的幅度、频率和相位都存在不完全透明转换；而基于SOA或无源波导，如光纤的四波混频虽是完全透明的全光转换，但由于它是三阶非线性过程，所以存在转换效率低下的问题；另外这种波长转换器噪声大，容易造成串扰，其应用有限。 一般情况下，二阶非线性过程比三阶过程效率高得多，因此基于半导体（如AlGaAs)或铁电晶体波导结构中的差频或级联效应的波长转换器，逐渐成为宽带全光波长转换器的发展方向。基于二阶非线性差频或级联效应的全光波长转换器件对信息透明，它仅是一个纯光学过程，克服了电光器件的速度瓶颈；另外，它还具备低噪声、宽调节波长范围和可以同时转换多波长的特点。基于半导体或铁电畴反转波导差频或级联波长转换器是唯一全透明的方案，与其它波长转换器方案比具有明显的优势。而基于级联效应的波长转换器与基于差频效应的波长转换器相比，泵浦波长仍然在1.5um通信波段，解决了波导传输模式问题，并且可以获得更宽的带宽。虽然基于半导体（如AlGaAs)的差频波长转换器己有演示，但目前存在困难是难以实现两束光的相位匹配，另外由于波导的散射损耗，均导致转换效率低下，因而目前应用较少。
目前，基于周期极化铌酸锂（PPLN)波导的波长转换相位匹配条件极大抑制了多波长信道间的串扰，使得基于周期性极化铌酸锂波导的波长变换器成为目前唯一能实现组波长转换的技术，也是唯一能实现NXM广播功能的全光波长转换技术。基于周期性极化铌酸锂波导的波长变换器所用的二次级联效应分为两类：一是单泵浦倍频与差频级联效应；二是双泵浦和频与差频级联效应。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利"波长可调宽带全光波长转换器的制作方法"（专利号：ZL 2005 1 0027943.4)属于单泵浦倍频与差频级联效应，存在以下缺点： 一是倍频非线性系数不大，需要很高的泵浦光功率才能得到可观的转换效率，与光通信中所要求的低泵浦功率阈值不符；二是信号光和转换光分布在泵浦光两侧，因此至少有一个波长信道被占用，不利于通信波段的充分利用；再者，单泵浦波长转换方案中，当信号光波长趋近于泵浦光波长时，转换效率会出现凹陷，因此不得不舍弃泵浦光波长附近的一些信道。
检索中还发现，2004年C.Q.Xu等人在《0ptics Letters》（29， 2004)上"Cascaded wavelength conversions based on sum-frequency generation anddifference-frequency generation"(《基于和频和差频级联效应的波长转换》）一文，该文介绍了在周期性准相位匹配晶体中，与倍频差频级联相比，和频差频级联有个优点：一是双泵浦每一个泵浦光功率只需单泵浦光功率的一半就能得到同样的转换效率，降低了功率阈值；二是两泵浦光波长可以选择在通信波段的两边，从而空出中间的波段加以利用。该文中所阐述的是基于EEE窄带和频与差频的波长转换，EEE和频是指参与和频的两个泵浦光以及和频光在PPLN晶体里都是以非常光，即E光（Extraordinary)入射或传播。该窄带波长转换的信号光有较大带宽，两泵浦波长差值可以很大，但泵浦波长的带宽极小，只有0.6nm。也就是说，对于给定周期的PPLN波导，两泵浦光波长必须设定在与该周期匹配(即满足相位匹配条件）的波长处，对应信号带宽内的每一个信号光只能输出一个转换光，如果泵浦光波长稍有漂移，很可能就没有和频光产生，也就没有转换光输出，这大大限制了波长转换器的灵活应用。发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种双泵浦波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，利用周期性光学超晶格中和频与差频级联的二阶光学非线性效应，采用两个功率可以更低的泵浦光波，具有波长可调，带宽更宽，信号光波长可工作在通信C波段，功率代价低的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
5第一步，选择一块Z切割的镁掺杂摩尔比为3% — 7%的铌酸锂晶片，在该晶 片一Z面上制作钛扩散波导结构，然后在该晶片+ Z面上制作具有周期范围为 20-25 um的周期性光学超晶格，即通过对晶片进行室温电场极化，以实现晶体 极化畴的周期性反转；
第二步，采用两个泵浦光源，通过在晶片前设置偏振控制器以控制泵浦光和 信号光的偏振特性为寻常光，即得到该双泵浦波长可调宽带全光波长转换器。
所述的室温电场极化，具体实现步骤如下：
① 选择一种介电体，该介电体是一种在生长过程中长成沿Z方向自发极化的 铁电单畴晶体，并且是掺杂摩尔比为3%—7%的掺杂镁的铌酸锂（MgO:LiNb03)， 沿该介电体Z方向（光轴c方向）切割，切割下的掺镁铌酸锂晶体的厚度为 0.2mm-lmm，上下表面平行且均被抛光，上下表面的法线方向即为晶体的自发极 化方向；
② 该晶片-Z表面使用钛扩散技术，即在113(TC的高温下通氩气十几个小时， 通氧气后扩散1小时以上，将-Z面预溅射的宽度为2-8 n m的钛条内扩散入掺杂 镁的铌酸锂衬底，形成一波导层，该波导的特征是横电波（TE)和横磁波（TM) 模式的导波均可以被激发；
③ 然后用光刻技术，即首先在双面抛光晶体+Z表面旋转涂覆一层厚1 P m的 光刻胶，经曝光、显影后得到周期性光栅条纹；然后再在光刻胶上溅射一层厚为 0. lnm的导电铝层，再将所得样品用丙酮超声，这样就在样品上形成了一周期 性的长铝条构成的阵列金属光栅电极
金属光栅电极的周期A为：
式中；t,0'二s，g，5F)分别为泵浦光i、泵浦光2、和频光的波长，其中
formula see original document page 6(^^i^——波导中和频波非常光的有效折射率；
^^^1、 ^^;2——波导中泵浦波l、 2寻常光的有效折射率； 对于占空比为l: l的周期性结构，每个周期内电极的长度/为周期的一半， 即/ =八/2;对于占空比为1: 2的周期性结构，每个周期内电极的长度为周期
的1/3， gp/ = A/3; -Z面镀平面电极。
④室温电场极化过程中，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的 矫顽场从而使该电畴的自发极化方向反向；无电极的畴区域，其电畴的极化方向 仍保持原来的方向。
本发明极化方法可以采用现有技术，本发明采用两个泵浦光源，利用非线性 OOE和频过程实现波长转换，通过在晶片前设置偏振控制器，以控制泵浦光和信 号光的偏振特性为晶体中的寻常光（0光）。本发明的两个泵浦光源， 一般固定 其中一个泵浦光波长，另外一泵浦光波长在泵浦带宽内改变，以实现对同一信号 光的多转换光输出。两个泵浦光源波长也可以同时调节。
本发明基于宽带00E和频与差频级联效应的波长转换设计，此处00E和频是 指参与和频的两个泵浦光均为晶体中的寻常光，即0光（Ordinary),而和频光 则为非常光（E光）。偏振状态是通过在晶片前设置的偏振控制器来调节的。本 发明在继承上述EEE窄带和频与差频波长转换的优点的同时，由于采用宽带00E 和频，两泵浦光波长是可调的，而非固定的，即可以灵活调节两泵浦光波长。这 样，信号光波长在信号带宽内变化，同时也可以调节泵浦光波长在泵浦带宽内变 化——即对应一个输入信号光，取任一泵浦光波长在泵浦带宽内的M个波长，就 可实现M个转换光输出。如果在信号带宽内有N个信号光输入，自如的调节泵浦 带宽内的M个泵浦波长，就可灵活地实现NXM个转换光输出。
本发明的有益效果是：
1、 在掺镁铌酸锂加钛扩散波导结构中，采用不同于倍频差频级联效应的周 期设计，使得波长转换过程中，可采用两个泵浦光波，两泵浦光功率只需单泵浦 级联方案中基频泵浦光功率的一半，就能实现相同的转换效率；功率代价低，而 且克服了当信号光波长趋于基频光波长时会出现的转换凹陷；
2、 两泵浦波长可以选择在通讯波段的两侧，可避免占用通讯波段的中间波
7长，有利于充分利用光纤带宽资源；
3、在不降低转换效率和不改变波长转换输出谱的前提下，可实现比原倍频 差频级联方案宽带更宽，功率阈值更低的NXM波长通道转换，从而实现网络的 动态重组及波长路由的广播功能。
附图说明
图1为本发明实施例基于Mg0: PPLN波导结构的NXM宽带全光波长转换器 的原型器件示意图。 具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
实施例1
第一步，选择一块Z切割的镁掺杂摩尔比为3% — 7%的铌酸锂晶片，首先在 该晶片一Z面上制作钛扩散波导结构，然后在该晶片+ Z面上制作具有周期范围 为20-25 wm的周期性光学超晶格，即通过对晶片进行室温电场极化，以实现晶 体极化畴的周期性反转；具体如下：
(1) 选取大小为20X10Xl誦，即厚度为lm的5^mol掺杂比的Z切割掺 镁铌酸锂晶片，+/-2面均抛光。
(2) 在-Z面用钛扩散技术制作一宽度为6ym的条波导；
(3) 在+Z表面用光刻方法形成一周期为20.4um的，由8iim宽，10 mm长 的阵列金属正电极（假设占空比为8: 12.4)。光栅周期是用36.3'C下掺镁铌酸
锂的Sellmier方程代入公式八=
formula see original document page 8
所得，其中设
(4)根据中国专利200510027943. 4中所述极化方法对掺镁铌酸锂晶体进行 极化。室温电场极化过程中，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的 矫顽场从而使该电畴的自发极化方向反向；无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向。
至此，得到了5%镁掺杂比的、表面有钛扩散条波导结构的周期性极化铌酸
锂晶片，其大小为20X10Xlmm，光栅周期为A = 。
第二步，采用两个泵浦光源，通过在晶片前设置偏振控制器以控制泵浦光和 信号光的偏振特性为寻常光，即得到该双泵浦波长可调宽带全光波长转换器。
理论上，第一步得到的铌酸锂晶片在36. 3'C下可实现一固有宽带波长转换， 固定泵浦2的波长，当泵浦光1的波长分别在1. 57 u m和1. 55 ii m处，该周期参 数的波长转换器可实现和频过程中的泵浦2光波长带宽分别为47nm和56nm;而 输入信号光后，和频光与信号光差频过程其实是和频的逆过程，故信号带宽与泵 浦带宽有等价关系。
下面以一 8 (信号光波长通道）X2 (泵浦光波长通道）的波长转换为例， 以通信C波段波长信号TE模偏振进入波导，再利用E光偏振和频光作泵浦光， 与所需转换通讯波段信号光进行差频过程；可以看出，所制作的可调宽带波长转 换器结构中可实现泵浦波长调节带宽为45nm以上，信号波长带宽大于50rnn，具 有广播功能的超宽带波长转换功能。
如图l所示，为基于该MgO:PPLN(oo-e)晶片的NXM的全光波长转换器的原 型器件的示意图。泵浦光一个固定， 一个可调，两泵浦光均通过偏振控制器调节 为寻常光（0光）；输入信号光来自不同地方的光载波，通过偏振控制器调节为 寻常光后，进入波分复用器后耦合到一根光纤中传输；泵浦光和信号光经耦合器 耦合后进入温度可调控温炉中的MgO: PPLN晶体波导结构，出射光经分离器可得 到一系列对应的转换光输出。掺镁铌酸锂波导晶片温度由控温炉设定为36. 3'C。
根据国际电信联盟标准，输入信号光波长凡，^2，…，义s取C波段的8个波 长：1547.32、 1548.12、 1548.92、 1549.72、 1550.52、 1551.32、 1552.12、 1552. 92nm，固定泵浦光2的波长/^2为1570. 42nm，泵浦光1 AP1。,/lpl6选取其泵 浦带宽内的2个波长：1545. 72nm和1543. 73nm ，则可得到转换光 ;L^,;i^,…，；^，；i幼共有16个：1568. 77、 1567. 95、 1567. 13、 1566. 72、 1566. 31、 1565.90、 1565.50、 1565.09、 1564.68、 1564.27、 1563.87、 1563.45、 1563.06、
91562.64、 1561.83、 1561.02nm。然后再进行各项性能的网络系统测试，实现无 串扰的，160Gbit/s以上，误码率（BER)小于10E-10的，100GHZ-50GHZ的8X2 的具有广播功能的波长转换。
实施例2
第一步，选择一块Z切割的镁掺杂摩尔比为3%—7%的铌酸锂晶片，首先在 该晶片一Z面上制作钛扩散波导结构，然后在该晶片+Z面上制作具有周期范围 为20-25 ym的周期性光学超晶格，即通过对晶片进行室温电场极化，以实现晶 体极化畴的周期性反转；具体如下：
(1) 选取大小为20X10Xlmm，即厚度为1™的7%mol掺杂比的Z切割掺 镁铌酸锂晶片，+/-2面均抛光。
(2) 在-Z面用钛扩散技术制作一宽度为6um的条波导；
(3) 在+Z表面用光刻方法形成一周期为23.4pm的，由8um宽，10 mm 长的阵列金属正电极（假设占空比为8: 12.4)。光栅周期是用24.2'C下惨镁铌
酸锂的Sellmier方程代入公式八=
,AT , AT 、_1 yvw 〜i jV
、义SF 义p2 乂
所得，其中设
义w = 1.569//m,/lp2 = 1.533//附。
(4)根据中国专利200510027943. 4中所述极化方法对掺镁铌酸锂晶体进行 极化。室温电场极化过程中，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的 矫顽场从而使该电畴的自发极化方向反向；无电极的畴区域，其电畴的极化方向 仍保持原来的方向。
至此，得到了 7%镁掺杂比的、表面有钛扩散条波导结构的周期性极化铌酸
锂晶片，其大小为20X10Xlmm,光栅周期为A = 23.4//m 。
第二步，釆用两个泵浦光源，通过在晶片前设置偏振控制器以控制泵浦光和 信号光的偏振特性为寻常光，即得到该双泵浦波长可调宽带全光波长转换器。
理论上，第一步得到的铌酸锂晶片在24. 2'C下可实现一固有宽带波长转换， 固定泵浦2的波长，当泵浦光l的波长分别在1.569 wm和1.534 um处，该周期
10参数的波长转换器可实现和频过程中的泵浦2光波长带宽分别为45nm和53nm; 而输入信号光后，和频光与信号光差频过程其实是和频的逆过程，故信号带宽与 泵浦带宽有等价关系。
以一 8 (信号光波长通道）X2 (泵浦光波长通道）的波长转换为例，以通 信C波段波长信号TE模偏振进入波导，再利用E光偏振和频光作泵浦光，与所 需转换通讯波段信号光进行差频过程。
如图1所示，为基于该MgO:PPLN(oo-e)晶片的NXM的全光波长转换器的原 型器件的示意图。泵浦光一个固定， 一个可调，两泵浦光均通过偏振控制器调节 为寻常光（0光）；输入信号光来自不同地方的光载波，通过偏振控制器调节为 寻常光后，进入波分复用器后耦合到一根光纤中传输；泵浦光和信号光经耦合器 耦合后进入温度可调控温炉中的MgO: PPLN晶体波导结构，出射光经分离器可得 到一系列对应的转换光输出。掺镁铌酸锂波导晶片温度由控温炉设定为24.2'C。
根据国际电信联盟标准，信号光波长A，^,…,A取C波段的8个波长： 1536. 22、 1537. 01、 1537. 79、 1538. 58、 1539. 37、 15 40. 16、 1540. 96、 1541. 75nm， 其中固定泵浦光2的波长;^为1569.61nm,泵浦光1 ;LP1。,Am选取其泵浦带宽
内的2个波长：1533. 86nm和1531. 90nm，则可得到转换光A。，^^,义^共 有16个：1567. 15、 1566. 33、 1565. 52、 1565. 10、 1564. 70、 1564. 28、 1563. 88、 1563.47、 1563.07、 1562.66、 1562.24、 1561.84、 1561.43、 1561.03、 1560.21、 1559.40nm。然后再进行各项性能的网络系统测试，实现无串扰的，160Gbit/s 以上，误码率（BER)小于10E-10的，100GHZ-50GHZ的8X2的具有广播功能的 波长转换。
由于该波长转换器是由一块铁电体晶体构成，厚度为0.2mm-lmm的波导器 件，因此实际应用中还需要按光通讯器件的传统封装技术进行封装。
本实施例的优点： 一是由于和频的非线性系数更大，双泵浦每一个泵浦光功 率只需单泵浦光功率的一半就能得到同样的转换效率，降低了功率阈值；二是两
泵浦光波长可以选择在通信波段的两边，从而空出中间的波段加以利用。而单泵 浦波长必须设定在通信波段中间，且当信号光波长趋于泵浦波长时转换光效率出现凹陷。三是双泵浦波长转化方案中，两泵浦光、泵浦光与信号光、泵浦光与转 换光之间的波长差别可以相对较大些，因此和频带宽比倍频带宽要更宽一些。最 后，该方法可以实现泵浦波长和信号波长的同时调节，能产生更多的转换光输出。 未来光通信网络中所需要的波长转换器要求低泵浦功率，高转换效率以及大 的转换带宽，所以基于宽带00E和频与差频级联效应的波长转换能很好的解决这 方面的问题，可以用于组建灵活的NXM波长路由器。