基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換

□文/鹿建江

一、引言

眾所周知，全光波長(zhǎng)變換是WDM光網(wǎng)絡(luò)中提供波長(zhǎng)路由和波長(zhǎng)再利用的關(guān)鍵技術(shù)。它利用有限的波長(zhǎng)資源，支持不同波長(zhǎng)之間的連接，可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)能力和生存能力，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和效率。波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件的另一個(gè)重要用途是實(shí)現(xiàn)不同光網(wǎng)絡(luò)間的波長(zhǎng)匹配，可以把不同波長(zhǎng)系列產(chǎn)品統(tǒng)一到同一波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的通信。隨著對(duì)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究，目前已有多種不同的技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換?；诎雽?dǎo)體的全光波長(zhǎng)變換器件由于非常緊湊所以很容易集成，并可以利用成熟的硅集成電路的制造方法，所以在實(shí)際當(dāng)中基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理的不同，這種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器件可以利用交叉增益調(diào)制（XGM）、交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混頻三種效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)變換。除此之外，利用光纖的非線性效應(yīng)也可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。目前，基于光纖中四波混頻效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器以及非線性光學(xué)環(huán)鏡型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器發(fā)展得很快，并且在復(fù)用、解復(fù)用、交叉連接等方面顯示了廣泛的能力。但由于需要的光纖的長(zhǎng)度很長(zhǎng)（1-10km），基于光纖非線性效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器在集成方面有較大的缺陷。還有一種基于電吸收調(diào)制器中交叉吸收調(diào)制效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)在近幾年來也得到了廣泛的研究，不過此技術(shù)需要輸入信號(hào)光的功率比較高，一般要求達(dá)到16-19dBm，因此器件的效率不高，而且長(zhǎng)期在大功率情況下工作，可靠性也不高。

相對(duì)于上面介紹的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)而言，利用準(zhǔn)相位匹配（QPM）技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，且具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它利用非線性效應(yīng)產(chǎn)生新頻率光場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，可完全復(fù)制原信號(hào)光的強(qiáng)度和相位信息，并且非線性作用響應(yīng)時(shí)間極短（飛秒量級(jí)），所以是唯一嚴(yán)格意義上的對(duì)信號(hào)光速率和調(diào)制格式完全透明的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)。此外，該技術(shù)還具有獨(dú)特的多波長(zhǎng)同時(shí)轉(zhuǎn)換能力，轉(zhuǎn)換過程噪聲指數(shù)極低，轉(zhuǎn)換后波形無畸變，并且潛在的可轉(zhuǎn)換帶寬對(duì)光纖工作波段透明，所以引起了人們極大的興趣。自C.Q.Xu等人于1993年首次報(bào)道了基于PPLN光波導(dǎo)的差頻效應(yīng)的1.5μm波段全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)以來，基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器逐漸受到研究者的重視。1998年開始，G.P.Banfi等人又提出并實(shí)現(xiàn)了基于PPLN波導(dǎo)的級(jí)聯(lián)二階非線性倍頻（SHG）+差頻（DFG）效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，不再使用0.78μm波段的泵浦光，而是采用1.55μm波段的經(jīng)EDFA放大的單模激光作為初始泵浦源。利用級(jí)聯(lián)SHG+DFG效應(yīng)使得所有注入波導(dǎo)的光波都在1.55μm波段以TM00基模形式耦合進(jìn)波導(dǎo)，解決了0.78μm光難以與單模光纖模式耦合的難題?；诩?jí)聯(lián)和頻（SFG）+差頻（DFG）效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案，由Chen和Xu等人于2004年提出，兩個(gè)泵浦源的使用提高了泵浦帶寬，同時(shí)增加了泵浦波長(zhǎng)選擇的靈活性。隨后Yu和Gu等人又提出了雙通構(gòu)型的基于級(jí)聯(lián)SFG+DFG效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案，相對(duì)于單通構(gòu)型而言，雙通構(gòu)型轉(zhuǎn)換效率更高，而且分析過程也可以得到簡(jiǎn)化。目前，利用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換已成為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此，本文對(duì)準(zhǔn)相位匹配技術(shù)在全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過程中的應(yīng)用作了介紹，分析了基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，并以單通SHG+DFG波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器為例對(duì)基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了說明，最后指出了準(zhǔn)相位匹配技術(shù)在此領(lǐng)域中應(yīng)用的前景和意義。

二、基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的基本原理

基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器主要是利用周期極化晶體中的二階非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的，據(jù)此我們可以把他們分為直接基于差頻效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器、基于級(jí)聯(lián)二階非線性倍頻（SHG）+差頻（DFG）效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器和基于級(jí)聯(lián)二階非線性和頻（SFG）+差頻（DFG）效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。如果再根據(jù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過程中生成的倍頻光/和頻光在晶體里傳輸?shù)拇螖?shù)進(jìn)行細(xì)分的話，基于SHG+DFG和基于SFG+DFG效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器又有單通和雙通兩種構(gòu)型，其中單通構(gòu)型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器中倍頻光/和頻光沿著通光方向只傳輸一次，而雙通構(gòu)型中倍頻光/和頻光沿著通光方向傳輸了兩次。下面分別對(duì)他們的基本原理進(jìn)行說明:

1、基于差頻效應(yīng)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。差頻發(fā)生（DFG）是由一束強(qiáng)泵浦光ωp與一束通常較弱的信號(hào)光ω?混合，通過二階非線性極化率x（2）產(chǎn)生頻率發(fā)生漂移的輸出光 ωc＝ωp-ωs，生成的差頻光 ωc完全完全復(fù)制了信號(hào)光的幅值和相位信息，從而實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。圖1是DFG過程示意圖。（圖 1）

圖1 基于差頻效應(yīng)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換示意圖

在差頻過程中，相位失配△kDFG的定義為:

其中，np，ns和 nc分別為泵浦光、信號(hào)光和生成光的折射率，可以由Sellmier方程給出。λp，λs和 λc分別為泵浦光、信號(hào)光和生成光的波長(zhǎng)，∧是極化反轉(zhuǎn)周期。

為了提高差頻轉(zhuǎn)換效率，需要相位失配越小越好。如果泵浦光和信號(hào)光的波長(zhǎng)都已知，那么根據(jù)式（1）可以確定極化晶體的反轉(zhuǎn)周期，使相位失配為零。當(dāng)泵浦光和信號(hào)光都為準(zhǔn)連續(xù)的平面光時(shí)，差頻過程可以用下面的耦合波方程來描述。

2、基于倍頻+差頻效應(yīng)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。圖2是基于單通構(gòu)型的倍頻+差頻效應(yīng)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換示意圖。利用 x（2）∶x（2）的非線性二次級(jí)聯(lián)過程來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)變換，其頻率轉(zhuǎn)換工作機(jī)理為:首先泵浦光ωp由SHG上轉(zhuǎn)換到頻率2ωp（ωSHG），同時(shí)產(chǎn)生的2ωp光與信號(hào)光ωS相互作用，通過DFG過程產(chǎn)生波長(zhǎng)遷移輸出ωc=2ωp-ωS。如此循環(huán)往復(fù)，基頻光波的能量借助于倍頻被轉(zhuǎn)換到差頻光波和信號(hào)光波。當(dāng)基頻光功率足夠大或相互作用長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，則可以得到放大的信號(hào)光波與轉(zhuǎn)換光波。（圖 2）

圖2 單通構(gòu)型倍頻+差頻光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換示意圖

除了單通構(gòu)型的倍頻+差頻效應(yīng)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換之外，還有雙通構(gòu)型的基于倍頻+差頻效應(yīng)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。在雙通構(gòu)型當(dāng)中，泵浦光從一側(cè)入射向另一側(cè)傳輸，而信號(hào)光則在另一側(cè)和泵浦光相對(duì)入射。泵浦光發(fā)生倍頻產(chǎn)生頻率為2ωp的倍頻光后，當(dāng)傳輸?shù)搅硪粋?cè)的末端時(shí)，可以被此端放置的雙色鏡反射，使2ωp的倍頻光與信號(hào)光沿相同的方向傳輸，從而也產(chǎn)生頻率為ωc=2ωp-ωs的生成光，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。在單通構(gòu)型中，倍頻和差頻是同時(shí)進(jìn)行的，倍頻光是一邊產(chǎn)生出來一邊和信號(hào)光做差頻；而在雙通構(gòu)型中，倍頻過程發(fā)生在整個(gè)前向傳輸過程中，差頻過程發(fā)生在反向傳輸過程中，兩個(gè)過程是分開的，在發(fā)生差頻過程的時(shí)候，倍頻光已經(jīng)是足夠強(qiáng)了。也可以認(rèn)為在雙通過程中，周期極化晶體被利用了兩次，所以相同條件下雙通構(gòu)型的轉(zhuǎn)換效率比單通構(gòu)型高，可以提高一倍左右。（圖3）

圖3 基于雙通構(gòu)型級(jí)聯(lián)二階非線性SH G+D FG效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換原理.D M:雙色鏡

3、基于和頻+差頻效應(yīng)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。除了基于倍頻+差頻級(jí)聯(lián)二階非線性效應(yīng)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換之外，還有另一種級(jí)聯(lián)二階非線性效應(yīng)光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案:基于和頻+差頻效應(yīng)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。在該方案中，通過和頻過程產(chǎn)生差頻過程所需的780nm波段的光場(chǎng)，所以該方案需要使用兩個(gè)泵浦源。兩個(gè)泵浦源（頻率分別為ωp1和 ωp2）首先發(fā)生和頻（SFG）過程，得到頻率為 ωSF＝ωp1＋ωp2的和頻光，然后和頻光與信號(hào)光（頻率為ωs）發(fā)生差頻過程，得到轉(zhuǎn)換后的頻率為 ωc＝ωSF＋ωs的生成光，從而實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。單通構(gòu)型和頻+差頻波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的原理如圖4所示。（圖4）

圖4 單通構(gòu)型和頻+差頻光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換示意圖

與傳統(tǒng)的基于倍頻+差頻原理的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器一樣，基于和頻+差頻級(jí)聯(lián)二階非線性效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器也有單通和雙通兩種構(gòu)型。其中，雙通SFG+DFG波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器與雙通SHG+DFG波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器相比，泵浦光變?yōu)榱藘蓚€(gè)，在前向過程中發(fā)生的是和頻過程，產(chǎn)生的和頻光最終與信號(hào)光反向傳輸，產(chǎn)生生成光。

由于基于和頻+差頻效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器使用了兩個(gè)泵浦源，一方面對(duì)單個(gè)泵浦源的功率要求減小了，可以用兩個(gè)較小的光源產(chǎn)生一個(gè)原來需要較大光源才能達(dá)到的轉(zhuǎn)換效率，或者可以用兩個(gè)較大的泵浦源去獲得更高的轉(zhuǎn)換功率；另一方面使用兩個(gè)泵浦源，在非線性相互作用過程中可調(diào)節(jié)的參數(shù)增加了，可以更好地滿足實(shí)際需要。比如說，可以通過調(diào)節(jié)兩個(gè)泵浦源的波長(zhǎng)間隔和輸入功率，在感興趣的波段產(chǎn)生更加平坦的轉(zhuǎn)換曲線。

三、基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換

最早的基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是直接利用“差頻”效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，隨后又陸續(xù)出現(xiàn)了基于級(jí)聯(lián)二階非線性效應(yīng)的光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，相比只利用差頻效應(yīng)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率更高，所以是目前準(zhǔn)相位匹配技術(shù)在全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換中的主要研究方向。Chou等人利用單通構(gòu)型SHG+DFG效應(yīng)進(jìn)行了1.5μm通信波段的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。泵浦光從外腔激光器（ECL）出射后經(jīng)摻餌光纖放大器（EDFA）放大到大約300mW，經(jīng)過一個(gè)光纖布拉格光柵FBG對(duì)放大自發(fā)噪聲（ASE）進(jìn)行過濾。泵浦光和四個(gè)外腔激光器輸出的信號(hào)光通過BPF耦合進(jìn)入周期極化鈮酸鋰（PPLN）波導(dǎo)。PPLN波導(dǎo)的輸出端連接光功率計(jì)（OSA）和光譜分析儀對(duì)輸出信號(hào)光進(jìn)行檢測(cè)，使用ECL是為了對(duì)泵浦光和信號(hào)光的波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧。（圖5）

圖5 單通SH G+D FG波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)裝置圖

在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，光纖間的損耗大約是4.5-dB，光纖和波導(dǎo)之間的耦合損耗大約是1.3-dB，在PPLN波導(dǎo)內(nèi)的傳輸損耗大約是0.35-dB/cm。為了避免光折變效應(yīng)，波導(dǎo)的溫度設(shè)定為90℃，這使得相位匹配波長(zhǎng)從1556nm變?yōu)?562nm。圖6是圖5所示實(shí)驗(yàn)的光譜圖，實(shí)現(xiàn)了基于級(jí)聯(lián)SHG+DFG原理的四個(gè)波長(zhǎng)同時(shí)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率幾乎都相同（-15-dB），耦合入波導(dǎo)的泵浦光功率大約是110mW。圖6中插入的小圖顯示實(shí)驗(yàn)觀察到的最高轉(zhuǎn)換效率的單波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率達(dá)-8dB。相應(yīng)的泵浦光功率為175mW，工作溫度是120℃。（圖 6）

圖6 四波同時(shí)轉(zhuǎn)換光譜圖

圖7顯示了轉(zhuǎn)換后倍頻光的光譜和輸入信號(hào)光光譜是復(fù)數(shù)共軛關(guān)系，這種光譜特性可用于在傳輸中途將信號(hào)光的啁啾反轉(zhuǎn)，從而補(bǔ)償傳輸過程中的色散，進(jìn)行色散管理。圖8顯示當(dāng)信號(hào)光波長(zhǎng)發(fā)生變化而泵浦光波長(zhǎng)保持不變時(shí)轉(zhuǎn)換效率的變化。圓點(diǎn)代表測(cè)量值，實(shí)線代表其理論擬合。可以看出，3-dB轉(zhuǎn)換帶寬達(dá)到了76nm。由于光折變效應(yīng)，實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)換帶寬會(huì)大于理論值。圖9顯示輸出轉(zhuǎn)換光功率和信號(hào)光功率的關(guān)系。當(dāng)信號(hào)光功率在-50-dBm到0-dBm范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出倍頻光和信號(hào)光功率保持良好的線性關(guān)系。（圖 7、圖 8、圖 9）

除了使用均勻的單周期極化晶體之外，還可以對(duì)QPM晶體的極化周期進(jìn)行改變，使其具有線性啁啾結(jié)構(gòu)、分段結(jié)構(gòu)、分段相移結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)。通過這樣一種改變，可以達(dá)到擴(kuò)展波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過程中的轉(zhuǎn)換帶寬的效果，從而滿足WDM系統(tǒng)中的多信道波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過程對(duì)轉(zhuǎn)換帶寬的要求。

圖7 轉(zhuǎn)換光和輸入信號(hào)光的光譜圖

圖8 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率隨信號(hào)光波長(zhǎng)變化的實(shí)驗(yàn)和擬合曲線

四、準(zhǔn)相位匹配全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究意義和前景

圖9 輸出轉(zhuǎn)換光功率隨信號(hào)光功率的變化曲線

全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換是WDM光網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)路由和波長(zhǎng)再利用的關(guān)鍵技術(shù)。它利用有限的波長(zhǎng)資源，支持不同波長(zhǎng)之間的連接，可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)能力和生存能力，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和效率。準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換提供了一種全新的可能?；跍?zhǔn)相位匹配技術(shù)的PPLN波導(dǎo)適用于未來光纖通信和其他全光信號(hào)處理的應(yīng)用中的混頻器件，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)大容量、低損耗的WDM和高速TDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。幾種基于QPM－PPLN波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的1.5μm波段或1.3μm波段到1.5μm波段波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)開發(fā)成功，能夠用于光纖連接散射補(bǔ)償?shù)牟ㄩL(zhǎng)變換，動(dòng)態(tài)重配置和光波多通道波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，還可以作為高速時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中管理高速數(shù)據(jù)的全光門控混頻器。隨著對(duì)基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過程研究的全面深入，發(fā)現(xiàn)通過改變傳統(tǒng)的均勻單周期結(jié)構(gòu)可以在得到幾乎相同的轉(zhuǎn)換效率前提下得到更大的轉(zhuǎn)換帶寬，從而更好地滿足了WDM系統(tǒng)多信道波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過程對(duì)轉(zhuǎn)換帶寬的要求。由于基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器具有諸多無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于其他器件而言展現(xiàn)出更好的發(fā)展前景，我們相信其必將在波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域占有重要的一席之地。

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