一种输入无色的宽光谱全光波长转换的方法及装置 |
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| 申请号 | CN201510967419.9 | 申请日 | 2015-12-18 | 公开(公告)号 | CN105404072A | 公开(公告)日 | 2016-03-16 |
| 申请人 | 华中科技大学; | 发明人 | 张敏明; 王元武; 周飞亚; 刘德明; | ||||
| 摘要 | 一种输入无色的宽 光谱 全光 波长 转换的方法及装置，该方法对 信号 源发出的信号光波长进行实时检测，发生变化时，根据需要转换的闲频光波长，计算 泵 浦光波长，并由泵浦源调整其波长，然后将信号光和泵浦光依次通过 耦合器 、 放大器 、偏振 控制器 和转换 波导 ，转换波导具有平坦且低色散，在泵浦光波长随信号光发生变化时，都能够满足 相位 匹配条件，发生四波混频效应，实现波长转换，使得闲频光波长保持不变。装置包括由泵浦源、信号源、波长计和运算器构成的反馈环，具有平坦且低色散的转换波导，耦合器，放大器，和偏振控制器。本 发明 可以实现输入无色、宽光谱的全光波长转换，对泵浦无敏感性，大幅度增加此全光波长转换器的应用范围，降低成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种宽光谱全光波长转换的方法，其特征在于，该方法对信号源发出的信号光波长λs进行实时检测，该信号光波长λs发生变化时，根据需要转换的闲频光波长λi0，计算此时泵浦源发出的泵光的波长λp，(λp＝2/(1/λs+1/λi0))，并由泵浦源相应调整其波长为 |
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| 说明书全文 | 一种输入无色的宽光谱全光波长转换的方法及装置技术领域背景技术[0002] 随着当前人类移动互联网的高速发展和移动终端的大量普及，对网络提出高速率、大容量的通信要求，3超(超高速、超大容量、超远距离)全光通信网络越来越受到重视。然而全光信号处理在高速大容量光通信中有着很大的关键作用，如光信号的放大、再生、光脉冲整形、光开关、波长转换等等。特别是波长转换技术，可以提高波长的重用率，减少全网所需的波长数目，避免波长碰撞而且引起的阻塞。另一方面，随着SOI技术的发展，波长转换器趋于集成化和全光化，因此基于波导器件的全光波长转换器得到了广泛的研究。 [0003] 现有的集成型全光波长转换器，主要是基于波导材料中的交叉相位调制、交叉增益调制、四波混频等非线性效应来实现。目前在利用四波混频效应来实现波长转换功能中，可以分为两大类技术：基于相位匹配技术[Q.Liu，S.Gao，L.Cao，and S.He，“Design of low-dispersion-discrepancy silicon waveguide for broadband polarization-independent wavelength conversion”.J.Opt.Soc.Am.B，29，215-219(2012)；中国专利申请号201110167147.6]和准相位匹配技术[X.Zhang，J.Yuan，J.Zou，B.Jin，X.Sang，Q.Wu，C.Yu，and G.Farrell，“Enhanced broadband parametric wavelength conversion in silicon waveguide with the multi-period grating，”Photon.J.6，6601410(2014)；中国发明专利申请号：201410763322.1]。 [0004] 现有的波长转换器主要技术缺点是对泵浦波长非常敏感：要实现宽光谱高效率的波长转换，其泵浦波长必须是固定不变(接近零色散点)的，不能左右漂移改变。当信号光发生变化时，转换的闲频光(目标光)也跟着改变，为了保证转换的目标光固定不变，必须改变泵浦波长，然而其转换特性必然大大降低，导致应用范围小、成本高。鉴于此，如何设计出具有输入无色性且宽光谱的全光波长转换转换器，使得不同信号光可以根据需要转换到固定的目标光上，并且保持高的转换特性，可以大大增加波长转换器的应用范围及通用性，降低成本。 发明内容[0005] 为了克服已有全光波长转换器的目标光随信号光变化、转换带宽等不足，本发明提供了一种基于平坦且低色散波导的输入无色、宽光谱全光波长转换的方法及装置。 [0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种宽光谱全光波长转换的方法，其特征在于，该方法对信号源发出的信号光波长λs进行实时检测，该信号光波长λs发生变化时，根据需要转换的闲频光波长λi0，计算此时泵浦源发出的泵光的波长λp，(λp＝2/(1/λs+1/λi0))，并由泵浦源相应调整其波长为2/(1/λs+1/λi0)，然后将信号光和泵浦光依次通过耦合器、放大器、偏振控制器和转换波导，所述转换波导具有平坦且低色散，在泵浦光波长随信号光λs发生变化时，同样能够满足相位匹配条件，发生四波混频效应，实现输入无色、宽光谱的全光波长转换，并保持高的转换特性，使得信号光发生变化时，而转换的闲频光(目标光)波长保持不变。 [0007] 一种宽光谱全光波长转换的装置，它包括泵浦源、信号源、耦合器、放大器、偏振控制器和转换波导，所述泵浦源和信号源的输出端分别与所述耦合器的输入端信号连接，所述耦合器的输出端依次通过放大器、偏振控制器和转换波导；其特征在于，所述信号源和泵浦源之间依次连接有波长计和运算器，共同构成反馈环，所述转换波导为具有平坦且低色散的波导； [0008] 工作时，所述波长计实时探测所述信号源的信号光波长λs，当信号光波长λs发生变化时波长计将信号光波长λs输入到所述运算器中，该运算器根据需要转换的闲频光波长λi0，及四波混频原理，得到此时泵浦源的波长应该为2/(1/λs+1/λi0)，由泵浦源相应调整泵浦光波长为2/(1/λs+1/λi0)；信号光和泵浦光依次通过耦合器、放大器、偏振控制器进入所述转换波导，该泵浦光波长随信号光λs发生变化时，同样能够满足相位匹配条件，发生四波混频效应，实现输入无色、宽光谱的全光波长转换，使得信号光发生变化时，而转换的闲频光波长保持不变。 [0009] 上述方案中，设计的泵浦源与信号源之间的反馈环，波长计实时探测信号光波长λs，当信号光波长λs发生变化时波长计将信号光波长(λs)并输入到运算器中，该运算器根据需要转换的闲频光(目标光)波长(λi0)，及四波混频原理，可以得出此时泵浦源的波长应该是多少(λp＝2/(1/λs+1/λi0))，由泵浦源相应调整其波长为2/(1/λs+1/λi0)。 [0010] 上述方案中，设计的转换波导具有平坦且低的色散特性，具体色散曲线是在较宽的波长范围内(通常在几十纳米至几千纳米范围内)，其二阶色散β2在反常色散区，变化2 -2 -2 4 为0～-20ps/km(绝对值越小越好)，四阶色散β4值变化为-3×10 ～10×10 ps/km(绝对值越小越好)。使得当泵浦光波长(λp)发生较大漂移(随信号光λs发生变化)时，同样可以满足相位匹配条件，发生四波混频效应，并且保持高的转换特性，实现输入无色、宽光谱的全光波长转换，使得所要转换的闲频光(目标光)波长(λi0)保持不变。 [0011] 上述方案中，设计的具有平坦且低色散的波导，可以采用各种波导结构进行色散优化获得，如狭缝slot波导、光子晶体波导、周期性波导等结构。 [0012] 上述方案中，具有平坦且低色散曲线：在宽的光谱范围内，色散值(二阶色散β2，四阶色散值β4都比较小接近零值，都可以满足相位匹配条件：相位失配Δk＝2 4 2γPp+β2Ω+1/12*β4Ω，式中Ω＝ωp-ωs是信号光角频率ωs(ωs＝2πc/λs)与泵浦光角频率ωp(ωp＝2πc/λp)间的频移，β2，β4分别为泵浦源处的二阶和四阶色散值，Pp为泵浦源的功率，γ是转换波导的非线性系数。使得波长转换器的3dB转换带宽非常宽。 [0013] 本发明与现有技术相比具有以下优势： [0014] 1.该全光波长转换器可以实现输入无色：当信号光变化时，通过反馈环得到相应所需的泵浦波长，保证转换的目标光恒定不变。使得不同的信号光可以根据需要转换到固定的目标光上，并且保持高的转换特性。避免信号光漂移时，目标光也跟着变化。可以大大增加波长转换器的应用范围及通用性，降低成本。 [0015] 2.该全光波长转换器对泵浦无敏感性，当泵浦波长发生较大变化(偏移几百纳米)时，都可以满足相位匹配条件，实现波长转换。实现了全光波长转换器的通用性，只要泵浦波长处在转换波导的平坦低色散区间，都可以发生四波混频，实现波长转换。 [0017] 图1为典型的基于波导实现全光波长转换的结构示意图； [0018] 图2为本发明装置的基于平坦低色散波导实现输入无色宽光谱全光波长转换的结构示意图； [0019] 图3为本发明实施例中平坦低色散波导结构的截面示意图； [0020] 图4为本发明实施例中转换波导平坦且低的色散曲线图； [0021] 图5为本发明实施例中基于平坦低色散波导输入无色宽光谱全光波长转换特性一图； [0022] 图6为本发明实施例中基于平坦低色散波导输入无色宽光谱全光波长转换特性二图。 具体实施方式[0023] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明了，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0024] 参照图2所示，本发明所述的基于平坦低色散波导实现输入无色宽光谱全光波长转换的方法与装置，核心思想是：在基于波导全光波长转换器，一方面利用泵浦源1与信号源2构建反馈环10，当信号源2发出的光发生变化时，泵浦源1可以根据所需要转换的闲频光(目标光)随信号源2的改变而变化，以保证转换的闲频光固定不变；另一方面利用了具有平坦且低色散的波导7作为转换波导，使得泵浦源1发出的光信号发生变化时，还是可以满足相位匹配条件(主要取决于泵浦处的色散值)，实现高效宽光谱的波长转换。 [0025] 图1为典型的基于波导基于波导实现全光波长转换的结构，转换波导6通过设计使得在泵浦处的色散值接近零或者比较小。泵浦源1和信号源2发出的光通过耦合器3，一起经过放大器4放大，适调节他们的偏振态(通过偏振控制器5调控)，再通过转换波导6，当满足相位匹配时，在其中发生四波混频效应，产生闲频光(ωi＝2ωp-ωs)，实现了波长的转换。 [0026] 而在图1中典型的传统波长转换装置中，对于转换波导6，其色散值只在某一处或者较窄波长范围内接近零或比较小，当泵浦源1的光波长在这个零色散值附近时，满足相位匹配条件，可以实现波长转换；如果当信号源2发出的信号光发生变化，而所要转换的目标光固定不变时，此时泵浦源1的光波长必须相应的发生变化时，特别是离零色散点比较远的时候，此时就不能很好地满足相位匹配条件，波长转换的效率和带宽都会受到影响。这种典型的传统波长转换器不能将不同的信号光转换到同一目标光上，不能实现输入无色的波长转换。且对泵浦波长很敏感，有一定的选择性和限制性。 [0027] 图2为本发明装置的基于平坦低色散波导实现输入无色宽光谱全光波长转换的结构示意图 [0028] 本发明装置中利用到了一个反馈环10和具有平坦且低色散的波导7作为转换波导。首先，泵浦源1和信号源2发出的光通过耦合器3，一起经过放大器4放大，通过偏振控制器5适调节其的偏振态，再经过转换波导(具有平坦且低色散的波导7)，当满足相位匹配时，在其中发生四波混频效应，产生闲频光(ωi＝2ωp-ωs)，实现了波长的转换。 [0029] 其次，当信号源2发出的信号光波长(λs，fs＝c/λs)发生漂移(或者改变)时，通过反馈环10中的波长计8探测出此时的信号光波长(λs)，输入到运算器9中，根据需要转换的闲频光(目标光)波长(λi0，fi0＝c/λi0)，及四波混频原理，可以得出此时泵浦源1的光波长应该是多少(fp＝(fs+fi0)/2，λp＝c/fp)。这样，当信号光波长(fs)如何变化时，都可以得到相应的泵浦源1的光波长(fp)，使得转换的闲频光(目标光)波长(fi0＝c/λi0)保持不变。 [0030] 最后，利用具有平坦且低色散的波导7作为转换波导，可以使得转换波导在宽的光谱范围内都具有接近零的色散值(或者较小的色散值)，随之，当泵浦源1的光波长随着信号光改变而发生变化时，始终能够满足相位匹配条件，并利用四波混频效应实现波长转换。因此可以实现输入无色的宽光谱的全光波长转换。 [0031] 所述的具有平坦且低色散的波导7，可以采用各种波导结构进行色散优化获得，如狭缝slot波导、光子晶体波导、周期性波导等结构。 [0032] 本发明可以实现输入无色宽光谱全光波长转换，当泵浦源1的波长随着信号光改变而发生变化时，还是可以实现高效宽光谱的波长变化。特别是需要把不同的信号源2发出的光转换到某一个固定的闲频光上时，可以利用本发明方法与装置，不需要更换转换波导，并且保持高的转换特性，大大减少成本和功耗。 [0033] 在多用户大容量接入系统中，本发明可以把下行(局端至用户端)的N(N为自然数)个波长(信号光)，利用N个相同的波长转换器(如果采用传统的波长转换器，则需要N个不同的)，转换到用户端中同一个波长(闲频光)上，可以大大减少成本。另外在多信道大容量通信中，也可以利用本发明实现不同信道下载或上载到某一个相同的闲频光上。 [0034] 本发明的实施例： [0035] 图3为本发明实施例中平坦且低色散的波导7结构的截面示意图，所述的平坦低色散波导为直波导，波导长度为10mm，采用了双狭缝slot结构。具体组成材料及尺寸为：底层为4um的二氧化硅、宽度W为933nm、下层硫化砷高度Hl1为330nm、下层二氧化硅高度Hs1为114nm、中层硫化砷高度Hl2为960nm、上层二氧化硅高度Hs2为112nm、上层硫化砷高度Hl3为328nm。 [0036] 图4为本发明实施例中转换波导平坦且低的色散曲线图，所述的转换波导色散2 值：在1150nm带宽范围内，其二阶色散β2值变化为0～-13ps /km，四阶色散β4值变化-3 -2 4 为-3.68×10 ～3.56×10 ps/km，具有不仅低且平坦特性。 [0037] 图5为本发明实施例中基于平坦低色散波导实现输入无色宽光谱全光波长转换特性图。利用上述中的双狭缝波导的平坦低色散特性，仿真分析得出：当泵浦波长从2300nm变化到2500nm时，3dB转换带宽约为1200nm，均具有超宽带特性，如图5所示。更进一步，如图6所示，还分析了泵浦波长从2000nm变化到3000nm时，都具有很宽的3dB转换带宽。 [0038] 根据图5所描述为例，当信号光(λs)分别为1959nm、2109nm、2267nm时，相应地通过反馈环调节泵浦光(λp)为2300nm、2400nm、2500nm，都可以实现波长转换且转换到目标光(λi0)为2837nm。因此，在同一个转换波导中，当信号光发生偏移时(偏移量可达到几百纳米)，可以相应的调节泵浦光，最终实现转换的目标光波长保持不变。从此实例结果可以验证本发明的方法与装置的输入无色、宽光谱特性，具有输入无色的宽光谱的全光波长转换功能，具有显著的技术效果。 |
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