一种级联和频与差频全光波长转换器及转换方法
技术领域
[0001] 本
发明属于光通信技术领域，具体涉及了一种级联和频与差频全光波长转换器及转换方法，即一种基于PPLN光
波导的级联和频与差频型的全光波长转换器及转换方法，主要适用于密集波分复用光通信系统。
背景技术
[0002] 在光通信技术领域，需要大容量和高速率的数据传输。在光纤通信系统中，密集波分复用（DWDM）能特别显著的提高其传输容量，密集波分复用光通信系统是当前发展前途最被看好的技术。全光波长转换器是密集波分复用光通信网络的关键性能器件之一，全光波长转换器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，有助于波长再利用，有效进行动态路由选择，降低网络阻塞率，进而可以提高光网络的灵活性和可扩充性，实现开放式DWDM系统中光
信号的转发。
[0003] 目前常用的全光波长转换技术主要包括：交叉增益调制（XGM），交叉
相位调制（XPM），激光增益饱和吸收效应，电吸收调制（EA），非线性光学环形镜（NOLM），四波混频（FWM），二阶非线性效应等。现有方案中，基于周期极化铌酸锂光波导，简称为PPLN光波导的全光波长转换技术，因PPLN光波导的二阶非线性效应具有独特的优越性，如对信号比特率和调制形式严格透明、多波长同时转换能
力、镜像波长变换特性、噪声指数极低、响应速度快，以及转换带宽很宽等，因而基于PPLN光波导的全光波长转换技术近年来受到各国科技工作者的高度重视。
[0004] 目前国内外在基于PPLN光波导二阶非线性效应的波长转换方面已经开展了许多有意义的工作，主要包括基于直接差频（DFG），基于级联倍频和差频（SHG+DFG），基于级联和频与差频（SFG+DFG）等二阶以及级联二阶非线性效应的波长转换技术。但是这些技术均存在着
缺陷。
[0005] DFG型全光波长转换器虽然转换效率较高，但由于其所用的
泵浦光（0.775μm）和信号光（1.5μm）处于不同波段，而且相差很大，DFG型全光波长转换器难以很好地把泵浦光和信号光同时耦合进入波导，难以同时实现泵浦光和信号光在光波导内的单模传输。
[0006] 基于级联倍频和差频的SHG+DFG型波长转换器解决了DFG型波长转换器遇到的困难，注入的泵浦光和信号光同处于1.5μm波段，可实现1.5μm波段的全光波长转换。但是，由于级联倍频和差频过程中泵浦光占据了信号光的波段，这是很多DWDM系统所不允许的。而且倍频（SHG）过程准相位匹配（QPM）波长处的泵浦光波长响应带宽非常窄，对于固定输入的信号光，传统的SHG+DFG型波长转换器难以实现转换闲频光的可调谐输出，而可调谐的波长转换对于增强网络管理的灵活性又是非常重要的。
[0007] 基于级联和频与差频(SFG+DFG)的全光波长转换器可以同时解决DFG型和传统级联倍频和差频的SHG+DFG型波长转换器所遇到的问题。一方面所有入射光均处于1.5μm波段，另一方面即使对于固定波长输入的信号光也可以方便地实现可调谐波长转换。基于级联和频与差频（SFG+DFG）具有二阶级联非线性效应，置于信号光波段窗口的两边的第一泵浦光和第二泵浦光的波长近似关于倍频（SHG）过程准相位匹配波长对称，第一泵浦光的波长为λ1、
频率为ω1，第二泵浦光的波长为λ2、频率为ω2。泵浦波长与信号波长相近容易实现最佳耦合又不会占用信号波段。调节第一、第二泵浦光，使第一泵浦光波长和第二泵浦光波长满足或近似满足和频（SFG）过程的准相位匹配条件，此时第一、第二泵浦光发生和频（SFG）反应，产生和频光，和频光波长为λSF、频率为ωSF，ωSF=ωp1+ωp2。与此同时，信号光（波长为λS、频率为ωS）与和频光发生差频（DFG）相互作用得到转换闲频光（波长为λi、频率为ωi），ωi=ωSF-ωs。根据
能量守恒原理，信号光，第一泵浦光，第二泵浦光，和频光以及转换闲频光的波长满足以下关系式：
[0008] SFG:1/λSF=1/λp1+1/λp2
[0009] DFG:1/λi=1/λSF-1/λs
[0010] SFG+DFG：1/λi=1/λp1+1/λp2-1/λs
[0011] λp1——第一泵浦光的波长
[0012] λp2——第二泵浦光的波长
[0013] λs——信号光的波长
[0014] λSF——和频光的波长
[0015] λi——转换闲频光的波长
[0016] 但现有的基于级联和频与差频(SFG+DFG)型的全光波长转换器具有偏振相关性，当信号光以偏振态输入，最后输出的转换闲频光强度将随信号光偏振方向的变化而改变，因而在某些的波长范围内波长转换效率较低。
发明内容
[0017] 本发明的目的在于提供一种级联和频与差频全光波长转换器，该全光波长转换器的PPLN光波导为PPLN脊波导，且接有线偏振光转换装置，结构简单，转换效率较高，尤其是偏振无关性性能好，而且可进行细微调谐。
[0018] 本发明的另一目的在于提供一种级联和频与差频全光波长转换器的转换方法，注入PPLN脊波
导线偏振泵浦光，在PPLN脊波导中分解为TM和TE模，法拉第90°旋转反射镜又使信号光和泵浦光的TE和TM模互换并反射，使得参与级联和频与差频反应的泵浦光和信号光的在前向、后向传输中能够弥补各种损耗，使输出时TE模和TM模的转换效率相等。
[0019] 本发明设计的一种级联和频与差频全光波长转换器，包括
激光器、偏振
控制器、光
耦合器、掺铒光纤
放大器、光隔离器、光环行器、PPLN光波导、法拉第90°旋转反射镜，第一激光器和第二激光器均为可调谐外腔激光器，发出的第一泵浦光和第二泵浦光分别接入第一偏振控制器和第二偏振控制器，第一偏振控制器和第二偏振控制器的输出接入第一光耦合器后，与经过偏振控制器的任意偏振态的信号光一起接入第二光耦合器，第二光耦合器的输出接入掺铒光纤放大器，放大器的输出经光隔离器接入光环行器第一端口，光环行器第二端口输出的前向传输的光束经过PPLN光波导后，光束被法拉第90°旋转反射镜反射，后向传输的光束又进入PPLN光波导，产生的转换闲频光从光环行器的第三端口输出为本波长转换器的输出。
[0020] 所述第一泵浦光、第二泵浦光以及信号光均为C波段。
[0021] 所述第一泵浦光的波长为λp1,第二泵浦光的波长为λp2，本装置所产生的和频光波长为λSF，各波长满足：1/λSF=1/λp1+1/λp2。
[0022] 本发明所用的PPLN光波导为PPLN脊波导，此脊波导的衬底为铌酸锂晶片，波导层为Z切周期极化的掺锌铌酸锂晶片，衬底和波导层直接键合，脊波导的横切面为垂直于Z轴的XOY平面，称为Z切面。PPLN脊波导既可传输TM模，又可传输TE模，无需用偏振分束器把信号光分成相互
正交的TE模和TM模，在输出端也无需使用偏振合束器把转换闲频光的TE模和TM模合成，减小波长转换器的复杂性。而且PPLN脊波导限制信号光和泵浦光集中在波导内传输，有利于提高转换效率。
[0023] 分别经过第一偏振控制器和第二偏振控制器的第一、第二泵浦光接入线偏振光转换装置，再接入第一光耦合器。线偏振光转换装置把X方向偏振的TM模式的泵浦光转换为另一种线偏振光，转换后的线偏振光的偏振方向与PPLN脊波导的横截面（即Z切面）平行，并与垂直的X轴成
角度θ。
[0024] 所述线偏振光转换装置包括第一法拉第盒和第二法拉第盒，基于法拉第磁致旋光效应的原理，法拉第盒内的磁致旋光物质使通过的线偏振光的振动面在其
磁场作用下转过一定角度，通过法拉第盒的线偏振光振动面转过的角度θ与法拉第盒的磁场的关系式为：
[0025] θ=VBL
[0026] 式中B为法拉第盒内的磁感应强度，L为磁致旋光物质的长度，V为比例系数维尔德常量，V与磁致旋光物质的
温度，性质以及入射光波长有关。
[0027] 本发明的第一泵浦光和第二泵浦光，分别进入线偏振光转换装置的第一法拉第盒和第二法拉第盒，分别对两个泵浦光进行线偏振光的转换，以提高线偏振泵浦光转换的准确性。
[0028] 所述线偏振光转换装置转换后的线偏振泵浦光的偏振方向与垂直的X轴所成角度θ，使线偏振泵浦光在PPLN脊波导中分解的TM模和TE模振幅比例为1比1。
[0029] 第一偏振控制器和第二偏振控制器的输出各经保偏光纤接入第一光耦合器，偏振控制器与保偏光纤结合以产生较好的泵浦光TM模。
[0030] 在光环行器第三端口所接的光纤上接有第一光纤光栅和第二光纤光栅，第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射谱中心波长分别为第一泵浦光和第二泵浦光的波长。未转换的泵浦光将被第一光纤光栅和第二光纤光栅反射回光环行器、又进入PPLN脊波导再利用，提高泵浦光的利用率，提高转换效率。
[0031] 本发明一种级联和频与差频全光波长转换器的转换方法如下：
[0032] 第一可调谐激光器和第二可调谐激光器发出的第一泵浦光和第二泵浦光分别接入第一偏振控制器和第二偏振控制器，调整其偏振方向、使第一、第二泵浦光为TM模，第一偏振控制器和第二偏振控制器的输出各经保偏光纤接入线偏振光转换装置，线偏振光转换装置把X方向偏振的TM模泵浦光转变为偏振方向与PPLN脊波导的横截面平行、并与垂直方向X轴成角度θ的线偏振光。转换后的2种波长的线偏振泵浦光经第一光耦合器后、和经过偏振控制器的任意偏振态的信号光一起通过第二光耦合器耦合，再经过掺铒光纤放大器放大之后，由光环行器的第一端口进入，从光环行器的第二端口输出、第一次同时耦合进入PPLN脊波导，在PPLN脊波导中转换后的线偏振泵浦光分解为TE模和TM模，TE模和TM模的振幅比等于tgθ。PPLN脊波导同时传输TM模和TE模，此时信号光的TM模和泵浦光的TM模发生级联和频与差频反应、产生转换闲频光TM模，信号光的TE模在前向传输过程中不参与级联和频与差频反应。PPLN脊波导产生的闲频光TM模、信号光TE模以及泵浦光TE模继续向前传输，到达法拉第90°旋转反射镜。所述法拉第90°旋转反射镜，使信号光，泵浦光和转换闲频光的偏振态发生90°旋转，完成TE和TM两种模式间的互相转换并使之反射、返回进行后向传输。经法拉第90°旋转反射镜的旋转反射使前向传输时产生的闲频光TM模转变为TE模、信号光TE模转变为TM模、线偏振泵浦光的TE模转变为TM模，并转为后向传输进入PPLN脊波导，信号光新转变的TM模与泵浦光新转变的TM模发生级联和频与差频反应，产生新的转换闲频光TM模，闲频光新转换的TE模不参与级联和频与差频反应、通过PPLN脊波导。转换闲频光TM和TE模、反应后剩下的泵浦光继续反向传输进入光环行器的第二端口，转换闲频光TM和TE模通过光环行器第三端口输出。反应后剩下的泵浦光经光环行器第一端口继续反向传输时被光隔离器阻挡、反射，不会返回泵浦光和信号光的输入端，而是又通过光环行器第二端口再次返回PPLN脊波导。
[0033] 当和频与差频反应后剩下的泵浦光随转换闲频光从光环行器的第三端口输出，被第一光纤光栅和第二光纤光栅反射、返回PPLN脊波导再利用。法拉第90℃旋转反射镜的磁光材料可以吸收近似倍频光的和频光，起到和频光波
滤波器的作用。前向传输时在PPLN脊波导中产生的和频光若有剩余，对反向传输的级联反应不利。
[0034] 在传输和反应过程中均为理想状态，即完全无损耗的情况下，转换后的线偏振光的偏振方向与垂直的X轴所成角度θ=45°，也就是说线偏振的泵浦光在PPLN脊波导中分解成振幅比例为1比1的的TM模和TE模。但是由于PPLN脊波导的传输损耗，耦合损耗等各种损耗的存在，θ将微小地偏离45°。另一方面，TM模在前向传输时参与反应；而TE模前向传输时不参与反应，但有一定的传输损耗，将使得TE模在后向传输时参与反应的转换效率降低，导致最终的TE模的转换效率小于TM模的转换效率，故要求注入PPLN光波导时泵浦光的TE模功率要稍大一些，以弥补TE模的传输损耗。故θ的值应大于45°，确定方法如下：。
[0035] 根据泵浦光TE模和TM模振幅比与闲频光偏振度（偏振光强与总光强的比值）的关系曲线图。
[0036] 第一泵浦光的TE模和TM模振幅分别为AP1(TE)和AP1(TM)，
[0037] 第二泵浦光的TE模和TM模振幅分别为AP2(TE)和AP2(TM)，
[0038] 转换后闲散光的TE模和TM模振幅分别为Ai(TE)和Ai(TM)，
[0039] 要求每束泵浦光的TE模与TM模振幅的比值相等，
[0040] 即：tgθ=Ap1(TE)/Ap1(TM)=Ap2(TE)/Ap2(TM)，
[0041] 同时，闲频光的TE模与TM模振幅相等，
[0042] 即：Ai(TE)=Ai(TM)，
[0043] 闲频光的解析解公式为：
[0044]
[0045]
[0046]
[0047] 将上述条件代入闲频光的解析解公式，绘制泵浦光TE模和TM模振幅比与闲频光偏振度（偏振光强与总光强的比值）的关系曲线图。由该曲线上得到闲频光偏振度为零时对应的TE与TM振幅之比，tgθ的值，即求得角θ。
[0048] 本方法细微调节线偏振光转换装置中法拉第盒的磁感应强度B，即细微调谐线偏振光转换装置转换后的线偏振泵浦光的偏振方向与垂直的X轴所成角度θ，使线偏振泵浦光在PPLN脊波导中分解的TM模和TE模振幅比例为1比1。
[0049] 与
现有技术相比，本发明一种级联和频与差频全光波长转换器及转换方法的优点在于：1、PPLN脊波导以及法拉第旋转反射镜的结合，很好地解决了转换闲频光和信号光的偏振相关问题，信号光偏振方向不影响转换闲频光的强度；2、通过细微调节线偏振光转换装置中法拉第盒的磁感应强度B，就可改变泵浦光的偏振方向,在使用不同的PPLN脊波导、有不同的各种损耗系数时，只要调节两个可调谐外腔激光器的泵浦光输出波长，再调节法拉第盒的磁感应强度B，细微调谐θ，即可实现与信号光偏振态无关的波长转换，在较宽的波长范围内提高波长转换效率，扩展性好；3、PPLN脊波导的引入，提高了转换闲频光的转换效率；反射谱中心波长为两泵浦光波长的两个光纤光栅，可反射未参与和频与差频反应的泵浦光，使之返回PPLN脊波导再利用，提高了泵浦光的利用率，提高了转换效率；4、信号光和转换闲频光之间偏振带来的群时延，在传输过程中被法拉第90°旋转反射镜的偏振旋转自动补偿了，所以二者之间不存在偏振依赖损耗。
附图说明
[0050] 图1是本级联和频与差频全光波长转换器
实施例结构示意图；
[0051] 图2是图1中的PPLN脊波导的结构示意图；
[0052] 图3是图1中的线偏振光转换装置结构示意图；
[0053] 图4是本级联和频与差频全光波长转换器的转换方法实施例中偏振度与线偏振泵浦光在波导中分解的TE模与TM振幅之比的关系曲线图；
[0054] 图5是本级联和频与差频全光波长转换器的转换方法实施例的转换效率与信号光波长的关系曲线图；
[0055] 图6是本级联和频与差频全光波长转换器的转换方法实施例的转换效率与信号光偏振角度的关系曲线图；
[0056] 图中标号为：
[0057] 1、第一激光器，2、第二激光器，3、第一偏振控制器，4、第二偏振控制器，5、偏振控制器，6、线偏振光转换装置，61、第一法拉第盒，62、第二法拉第盒，7、第一光耦合器，8、第二光耦合器，9、掺铒光纤放大器，10、光隔离器，11、光环行器，12、PPLN脊波导，13、法拉第90°旋转反射镜，14、第一光纤光栅，15、第二光纤光栅。
具体实施方式
[0058] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。
[0059] 一种级联和频与差频全光波长转换器实施例
[0060] 一种级联和频与差频全光波长转换器实施例如图1所示，包括第一激光器1、第二激光器2、第一偏振控制器3、第二偏振控制器4、偏振控制器5、线偏振光转换装置6、第一光耦合器7、第二光耦合器8、掺铒光纤放大器9、光隔离器10、光环行器11、PPLN脊波导12、法拉第90°旋转反射镜13，第一光纤光栅14和第二光纤光栅15。
[0061] 第一激光器1和第二激光器2均为可调谐外腔激光器，发出的第一泵浦光波长为1530nm、第二泵浦光波长为1570nm，分别接入第一偏振控制器3和第二偏振控制器4，第一偏振控制器3和第二偏振控制器4的输出各经保偏光纤接入线偏振光转换装置6，线偏振光转换装置6改变X方向偏振的泵浦光TM模的偏振方向，转换后的线偏振泵浦光的偏振方向与PPLN脊波导的横截面平行，并与垂直的X轴成角度θ。转换后的两束线偏振泵浦光接入第一光耦合器7耦合，再与经过偏振控制器5的任意偏振态的信号光一起接入第二光耦合器8，第二光耦合器8的输出接入掺铒光纤放大器9，掺铒光纤放大器9的输出经光隔离器10接入光环行器11的第一端口，光环行器11第二端口输出的前向传输的光束经过PPLN脊波导12后，光束被法拉第90°旋转反射镜13反射，后向传输的光束又进入PPLN光波导12，产生的转换闲频光经过光环行器11的第三端口输出为本波长转换器的输出。
[0062] 本例的PPLN脊波导12如图2所示，此脊波导的衬底为铌酸锂晶片，波导层为Z切周期极化的掺锌铌酸锂晶片，衬底和波导层通过直接键合，脊波导的横切面为垂直于Z轴的XOY平面，称为Z切面。PPLN脊波导既可传输TM模，又可传输TE模。本例PPLN脊波导12的波导长度为5cm。本例线偏振光转换装置6转换后的线偏振泵浦光的偏振方向如图2双箭头线段所示，与XOY平面平行、并与垂直方向X轴成角度θ。
[0063] 本例的线偏振光转换装置6如图3所示，包括第一法拉第盒61和第二法拉第盒62，通过法拉第盒的线偏振光振动面转过的角度θ与法拉第盒的磁场的关系式为：
[0064] θ=VBL
[0065] 式中B为法拉第盒内的磁感应强度，L为磁致旋光物质的长度，V为比例系数、维尔德常量。
[0066] 转换后的第一、第二线偏振泵浦光分别接入第一法拉第盒61和第二法拉第盒62。
[0067] 一种级联和频与差频全光波长转换器的转换方法实施例
[0068] 本例使用上述级联和频与差频全光波长转换器实施例，转换方法如下：
[0069] 第一激光器1和第二激光器2发出的第一、第二泵浦光分别接入第一偏振控制器3和第二偏振控制器4，调整第一、第二泵浦光偏振方向为TM模，经保偏光纤接入线偏振光转换装置6，线偏振光转换装置6把X方向偏振的TM模泵浦光转变为偏振方向与PPLN脊波导的横截面平行、并与垂直方向X轴成角度θ的线偏振光。转换后的2种波长的线偏振泵浦光经第一光耦合器7后、和经过偏振控制器5的任意偏振态的信号光一起通过第二光耦合器8耦合，再经过掺铒光纤放大器9放大之后，由光环行器11的第一端口进入，由光环行器11的第二端口输出、第一次同时耦合进入PPLN脊波导12。在PPLN脊波导12中转换后的线偏振泵浦光分解为TE模和TM模，TE模和TM模的振幅比等于tgθ。PPLN脊波导12同时传输TM模和TE模，此时信号光的TM模和泵浦光的TM模发生级联和频与差频反应、产生转换闲频光TM模，信号光的TE模在前向传输过程中不参与级联和频与差频反应。PPLN脊波导12产生的闲频光TM模、信号光TE模以及泵浦光TE模继续向前传输，到达法拉第90°旋转反射镜13被反射、返回进行后向传输，此时，法拉第90°旋转反射镜13的反射使前向传输时产生的闲频光TM模转变为TE模、信号光TE模转变为TM模、线偏振泵浦光的TE模转变为TM模，后向传输进入PPLN脊波导12，信号光新转变的TM模与泵浦光新转变的TM模发生级联和频与差频反应，产生新的转换闲频光TM模，闲频光新转换的TE模不参与级联和频与差频反应、通过PPLN脊波导12。转换闲频光TM和TE模、反应后剩下的泵浦光继续反向传输进入光环行器11的第二端口，转换闲频光TM和TE模通过光环行器11第三端口输出。反应后剩下的泵浦光经光环行器11第一端口继续反向传输时被光隔离器10阻挡、反射，不会返回泵浦光和信号光的输入端，而是又通过光环行器11第二端口再次返回PPLN脊波导12。当和频与差频反应后剩下的泵浦光随转换闲频光从光环行器11的第三端口输出，被第一光纤光栅14和第二光纤光栅15反射、返回光环形器11、又进入PPLN脊波导12再利用。
[0070] 细微调节线偏振光转换装置6中第一、第二法拉第盒61、62的磁感应强度B，即可细微调谐线偏振光转换装置6转换后的线偏振泵浦光的偏振方向与垂直的X轴所成角度θ，使线偏振泵浦光在PPLN脊波导12中分解的TM模和TE模振幅比例为1比1。
[0071] 图4所示为本实施例中偏振度与线偏振泵浦光在波导中分解的TE模振幅Ap(TE)与TM模振幅Ap(TM)之比的关系曲线，由图中曲线可知，偏振度为0dB时，TE模与TM的振幅比Ap(TE)/Ap(TM)为1.096，即tgθ=1.096，由三角函数得本例的θ值。
[0072] 本实施例各模拟参数为：第一、第二泵浦光波长分别为1530nm和1570nm，和频光波长为774.871nm，信号光中心波长1545nm，转换闲频光波长1554.5nm。极化周期为16.754um，1550nm波长的波导损耗为0.2dB/cm，775nm的波导损耗为0.4dB/cm,PPLN脊波导的波导长度为5cm。
[0073] 图5所示是本转换方法实施例的转换效率与信号光波长的关系曲线图；图中实线曲线为TE模信号光的转换效率，虚线曲线为TM模信号光的转换效率。当第一、第二泵浦光的偏振方向与PPLN脊波导12的横截面平行、并与垂直方向X轴成上述角度θ（tgθ=1.096）时，信号光波长在1520nm至1580nm范围内，本例TE模和TM模的信号光调谐曲线几乎重合，偏振相关性非常小。
[0074] 图6所示是本转换方法实施例的转换效率与信号光偏振角度的关系曲线图，图中实线曲线为TE模信号光的转换效率，虚线曲线为TM模信号光的转换效率，两条曲线都基本为
水平线，可见本例TE模和TM模的信号光的偏振角度与转换效率无关。
[0075] 上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何
修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
