專利名稱：差頻型全光波長轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光通信器件技術領域，具體涉及一種差頻型全光波長轉換器，它主要適用于波分復用光通信系統(tǒng)，可以實現系統(tǒng)中寬帶可調諧的單信道光波長轉換或多信道同時的光波長轉換。
背景技術：
光纖通信具有無與比擬的高速率、低損耗等優(yōu)點，近年來取得了很大發(fā)展，并成為現代通訊的主要手段。密集波分復用(DWDM)技術目前被廣泛應用于光纖通信網絡中，它通過在一根光纖中同時傳輸若干路不同波長、間隔適當且相互獨立的光信號，從而使同一根光纖信息傳輸的等效比特率增加若干倍。光波長轉換器是DWDM光通信網絡的關鍵性器件之一，它能實現信息從一個波長的光載波到另一個波長的光載波的復制，在網絡互聯(lián)、波長路由、波長再用和光交換等方面有著廣泛的應用，能大大提高網絡的靈活性和可靠性。
目前光網絡中所使用的光波長轉換器基本上都是基于光一電一光工作方式，首先將需要進行波長變換的光信號進行探測并轉換為電信號，再利用此電信號去重新調制新的波長的激光器，從而實現光波長變換。盡管技術上較為成熟，但裝置復雜，靈活性差，成本隨速率和元件數的增加而增加，且信號碼型和速率不透明，難以滿足未來光通信網絡的要求。與之相比，基于合適的光學機理的全光波長轉換器能在光域內實現信息在波長信道之間的轉換，可滿足未來光通信網絡的要求，因而具有更好的發(fā)展前景，是近年來國內外研究開發(fā)的熱點。
目前比較常見的幾種全光波長轉換器類型如交叉增益調制(XGM)型，交叉相位調制(XPM)型、激光器可飽和吸收型、電吸收調制(EA)型等都具有的共同問題是對光信號的速率和調制形式不透明，實現10Gb/s以上的光信號的波長變換較為困難并且效果不理想，不具備多波長同時變換的能力。在網絡節(jié)點需要對多個波長信道同時進行波長變換時，要同時設置多個波長轉換器，成本大大增加。與之相比，差頻(DFG)型全光波長轉換器基于二階非線性光學效應來產生新頻率的光場，從而實現全光波長轉換，它對信號的比特率和調制形式完全透明，理論上轉換速率可達1Tb/s以上，并且能夠實現多波長同時轉換。我們的發(fā)明所涉及的就是一種寬帶可調諧的差頻型全光波長轉換器的結構設計。
圖1所示是差頻型全光波長轉換器的一般結構示意圖。差頻型全光波長轉換器的基本原理是將需轉換的信號光(頻率為ωs)和泵浦光源1提供的高功率連續(xù)波泵浦光(頻率為ωp)通過光耦合器2同時耦合進一塊用非線性光學材料制備的并具有特殊結構的光波導3中，通過二階非線性差頻效應產生頻率為ωc＝ωp-ωs的新光場，新光場完全復制了輸入信號光的強度和相位信息，頻率轉換間距為Δω＝ωp-2ωs，使用光濾波器4將新光場輸出。同時輸入多路不同波長的信號光時，它們將與泵浦光分別發(fā)生差頻效應，過程相互獨立，所以能實現多波長同時轉換。
能產生有效二階非線性效應的光波導3是差頻型全光波長轉換器的核心器件，它必須具備特殊結構使發(fā)生相互作用的光場間的相位失配得到補償或校正，才能使光波導傳播方向上產生的差頻光場形成有效迭加，從而得到有效輸出。目前一般采用準相位匹配技術，制備具有周期性域反轉結構的準相位匹配光波導，常用的材料是以LiNbO3為代表的鐵電材料，也有使用以GaAs為代表的III-V族化合物半導體材料的。圖2給出了準相位匹配光波導的一般結構示意圖，該波導包括兩部分波導層5和襯底層6，也可以在波導層上再生長一層材料制成掩埋波導結構。與普通光波導不同的是，采用恰當工藝使波導層具備周期性域反轉結構。所謂域反轉可以是晶體電疇方向的反轉，如對于鐵電系晶體可以通過外加電場極化法制備；也可以是晶格方向的反轉，可以通過特殊的材料生長工藝來實現。圖2中用箭頭表示晶疇的朝向，向上的箭頭指代的區(qū)域為正域7，向下的箭頭指代的區(qū)域為反轉域8。正域7和反轉域8的長度都為lc，lc表示相干長度，即產生π相位失配的傳播長度；lc＝π/Δβ，Δβ表示泵浦光場、信號光場和差頻光場之間的波矢失配量，Λ表示準相位匹配周期且有Λ＝2lc，Λ大小一般是幾個μm至幾十個μm之間。由于相鄰的正域和反轉域中產生的差頻光場之間存在一個π的相位跳變，所以沿波導傳播方向上不斷產生的差頻光之間的相位失配能得到周期性補償，使差頻光場形成有效迭加，差頻光強度和功率隨傳播距離的增大而不斷增大。實際上準相位匹配光波導是一種光柵結構，但它屬于非線性光柵(即調制的是非線性電極化率)，與普通的線性光柵(調制的是折射率)不同。
該方案存在的主要問題是泵浦波長只能工作在某一固定值附近，泵浦帶寬很窄，所以波長轉換器的可調性很弱，不能滿足實用化要求。這是因為制作好的波導上的準相位匹配周期Λ是固定的，所以與之相匹配的泵浦波長也是確定的。泵浦波長調諧曲線(波長轉換效率隨泵浦波長的變化曲線)是一個sinc2形態(tài)的單峰曲線。由于光場間的波矢失配量Δβ對泵浦波長的變化非常敏感，泵浦波長改變時光場間的波矢失配量會明顯變化，此時準相位匹配條件不再成立，輸出的差頻光功率會急劇減小，泵浦波長偏離中心波長到一定程度時，輸出的差頻光功率幾乎為零。
目前所報道的改善差頻型全光波長轉換器的泵浦帶寬的主要方法是采用啁啾(chirp)的準相位匹配光波導。圖3給出了這種光波導的結構示意圖，光波導包含若干具有不同的準相位匹配周期的子段(段數用n表示)，每段的長度分別用L1、L2……Ln表示，每段內的準相位匹配周期分別用Λ1、Λ2……Λn表示。合理選取參數，可以使泵浦波長可調范圍即泵浦帶寬增加3-4倍。該方法依然存在一些問題首先是泵浦帶寬的展寬程度有限，例如長度為40mm的LiNbO3光波導的3dB帶寬可以從0.15nm左右增加到0.6nm左右，和實用化要求泵浦帶寬應達到10nm以上仍然相差很遠；此外由于要求的啁啾量很小，即每個子段的準相位匹配周期間的差異必須在1nm左右，制作過程中難以精確控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能克服上述缺陷的差頻型全光波長轉換器，該波長轉換器具有多個等間隔分布的泵浦波長窗口，其位置和間隔可調整，從而具備適合于波分復用系統(tǒng)特點的寬帶可調諧能力。
本發(fā)明的一種差頻型全光波長轉換器，依次包括激光光源、偏振控制器、光耦合器、光柵波導、光濾波器和光纖，偏振控制器對泵浦光和信號光的偏振態(tài)進行調節(jié)和控制，再通過光耦合器同時耦合進光波導中，產生新的差頻光，差頻光通過光濾波器輸出；其特征在于所述光柵波導劃分成子段，每個子段具有相同的準相位匹配周期，但又分別插入了不同分布周期的π相移域，光波導各子段長度和插入的π相移域數目與所要求泵浦窗口位置的關系應滿足式Δλ＝±π(mi+1)/(kLi)，式中Δλ為泵浦波長工作窗口位置，mi表示第i個子段包含的π相移域的數目，Li表示第i個子段的長度，k是比例系數。
本發(fā)明通過引入分段周期性分布的π相移域的準相位匹配光波導，可以使差頻型光波長轉換器能工作于多個不同的泵浦波長窗口，有效泵浦帶寬與現有技術相比大大增加。首先，依據不同的使用要求合理選取π相移域的分布參數，可以靈活地設計出多種多樣的泵浦波長調諧曲線，泵浦波長工作的窗口數量、窗口位置以及窗口間隔都隨π相移域的分布參數的改變而改變，而且由于π相移域的周期性分布，泵浦波長工作窗口呈現等間隔梳狀分布。進一步，我們再使用合適的溫度控制器對上述的光波導進行小范圍的溫度調節(jié)和控制，溫度的改變會對光波導造成微小的熱脹冷縮，導致波導內的準相位匹配光柵周期產生微小的改變，所以波導的溫度改變時它的泵浦波長工作窗口會發(fā)生整體漂移，則可以使我們所構建的差頻型全光波長轉換器具備寬帶連續(xù)可調諧能力。通過以上兩種方法，就可以根據需要在一定的范圍內靈活地選擇的泵浦波長工作窗口的具體位置，實現泵浦波長的寬帶連續(xù)可調諧，使波長轉換器具備適用于波分復用系統(tǒng)所要求的寬帶連續(xù)可調諧能力。


圖1為差頻型全光波長轉換器的一般結構示意圖；圖2為準相位匹配光波導的一般結構示意圖；圖3為分段啁啾的準相位匹配光波導的結構示意圖；圖4A為本發(fā)明設計的分段周期性分布π相移域光波導的整體結構示意圖；圖4B為本發(fā)明設計的π相移域的具體構造示意圖；圖5為本發(fā)明設計的一條長為42mm的LiNbO3光波導的相對波長轉換效率隨泵浦波長的變化曲線；圖6為本發(fā)明設計的一條長為21mm的LiNbO3光波導的相對波長轉換效率隨泵浦波長的變化曲線；圖7為本發(fā)明設計的一條長為38.4mm的LiNbO3光波導的相對波長轉換效率隨泵浦波長的變化曲線；
圖8為本發(fā)明設計的光波長轉換器的整體結構裝置示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明設計的差頻效應的光波導的結構如圖4所示，它在傳統(tǒng)的準相位匹配光柵結構中引入了按分段周期性樣式分布的π相移域。圖4A所示，光波導分為L1、L2……Ln若干子段。每個子段都具有相同準相位匹配周期的光柵結構，都包含有若干個按周期性樣式分布的π相移域9，但π相移域9在各個子段內的分布周期互不相同。π相移域結構如圖4B所示，π相移域實際上就是在正負域交替出現的準相位匹配光柵結構中引入的長度為半個準相位匹配周期的間斷區(qū)域，長度為0.5Λ，因為0.5Λ的傳播距離對應于發(fā)生差頻效應的光場間的π的位相失配，它在前后兩段光柵結構間引入了π的相對相位差，所以稱之為π相移域。實際制作π相移域時就是在原本應相鄰的正域和反轉域之間插入一個重復的正域或反轉域，實現起來非常簡單。
理論上π相移域的分布可提高波長轉換器的泵浦工作的帶寬。使用i表示子段序號，i＝1，2，3，……n，n表示光波導包含的總的子段數量。使用mi表示第i個子段中所包含的按周期性樣式分布的π相移域的數量，Li表示第i個子段的長度。通過理論分析可以推導出當(Δβ-2π/Λ)·(Li/(mi+1))＝±π時，Ei(L)可達到峰值，峰值大小約為|k|d·Li·(2/π)2。式中d表示二階非線性系數的大小，κ=i·(ωc/ncc)·EpEs*,]]>Ep和Es分別表示泵浦光和信號光的幅值，ωc表示差頻光(即波長轉換光)的頻率，c表示真空中光速，nc表示材料折射率。由于(Δβ-2π/Λ)·(Li/(mi+1))＝±π(i＝1，2，3，……n)對應于2n個不同的泵浦波長，泵浦波長調諧曲線是具有多個峰值窗口的梳狀曲線，泵浦波長工作窗口的數量為2n。
在很寬的泵浦波長變化范圍內(＞20nm)，Δβ-2π/Λ與泵浦波長成線性比例關系，可以將Δβ-2π/Λ表示為Δβ-2π/Λ＝k(λp-λp0)，式中λp表示泵浦波長，λp0表示對應于Δβ-2π/Λ＝0的泵浦波長，k是比例系數。將其代入(Δβ-2π/Λ)·(Li/(mi+1))＝±π可得Δλ＝λp-λp0＝±π(mi+1)/(kLi)，即Δλ∝(mi+1)/Li，可見如果選擇等差的(mi+1)/Li，就可以使泵浦波長工作窗口呈現等間隔分布，使其符合波分復用系統(tǒng)的要求。如果令各個子段的長度Li相等，則只需選取等差的mi就可以簡單地實現多個泵浦波長工作窗口的等間隔分布。每個子段的長度也可以設計為不相等，但取為相等可使相應波長窗口的差頻轉換作用長度相等，梳狀曲線的各個峰值也就大致相等。這里我們給出當選取各個子段的長度相等時的幾組合適的π相移域的分布參數1)每個子段內包含的周期性分布的π相移域的數量分別為1、4、7、10……；2)每個子段內包含的周期性分布的π相移域的數量分別為2、7、12、17……；3)每個子段內包含的周期性分布的π相移域的數量分別為3、10、17、24……；4)每個子段內包含的周期性分布的π相移域的數量分別為4、13、22、31…。
制作上述的光波導可選用多種不同的非線性光學材料，具體的波導結構尺寸和制作方法也因材料和技術參數要求的不同而有所不同。我們選用最具代表性的LiNbO3材料來制備z切LiNbO3光波導，z切即光軸垂直于波導平面，波導層一般采用質子交換法制備。這里給出我們選用的波導基本參數光波長轉換區(qū)間為1.55μm波段；波導寬度約為8μm，深度約為0.6nm，此時泵浦光、信號光和差頻光在波導中都以TM基模傳播，對應的二階非線性系數分量為d33約為23.5pm/V；波導損耗系數約為0.35dB/cm(1.55μm波段)和0.70dB/cm(0.77μm波段)。
下面給出幾個設計實例及相應的效果圖5所示的是我們所設計的一條長為42mm的LiNbO3光波導的相對波長轉換效率ηrel隨泵浦波長λpump的變化曲線。光柵的準相位匹配周期選取為15.31μm，對應的泵浦匹配波長為775nm附近。采用的π相移域的分布參數是42mm長的光波導包含4段長為10.5mm的子段，每個子段內包含的周期性分布的π相移域的數量分別為2、7、12、17，即分布周期分別為3.50mm、1.25mm、0.81mm、0.58mm。從圖5中我們可以看到光波長轉換器可以工作于8個等間距的泵浦波長窗口，間距為1.6nm，符合ITU關于波分復用系統(tǒng)的波長間距標準，8個窗口的中心波長分別是769.4nm、771.0nm、772.6nm、774.2nm、775.8nm、777.4nm、779.0nm、780.6nm，每個窗口的3dB寬度都為0.4nm左右。與現有的只能工作于單一的泵浦波長窗口的差頻型光波長轉換器相比有效泵浦帶寬得到了很大改善，8個泵浦波長工作窗口跨越的總波長范圍約為10nm，具備寬帶可調諧能力。
圖6所示的是我們所設計的一條長為21mm的LiNbO3光波導的相對波長轉換效率ηrel隨泵浦波長λpump的變換曲線。采用的π相移域的分布參數是21mm長的光波導包含2段長為10.5mm的子段，每個子段內包含的周期性分布的π相移域的數量分別為2和7，即分布周期分別為3.50mm、1.25mm。從圖5中可以看到光波長轉換器的泵浦波長工作窗口的數量為4個，間距同樣為1.6nm，窗口的中心波長分別是772.6nm、774.2nm、775.8nm、777.4nm。
圖7所示的是我們所設計的另一條長為38.4mm的LiNbO3光波導的相對波長轉換效率ηrel隨泵浦波長λpump的變換曲線。采用的π相移域的分布參數是38.4mm長的光波導包含4段長為9.6mm的子段，每個子段內包含的周期性分布的π相移域的數量分別為3、10、17、24，即分布周期分別為2.40mm、0.87mm、0.53mm、0.38mm。從圖7中可以看到光波長轉換器也是可以工作于8個等間距的泵浦波長窗口，但窗口間距為2.4nm，8個窗口的中心波長分別是766.6nm、769.0nm、771.4nm、773.8nm、776.2nm、778.6nm、781.0nm、783.4nm.8個泵浦波長工作窗口跨越的總波長范圍約為17nm，具備很寬的可調諧能力。
使用合適的溫度控制器對光波導進行小范圍的溫度調節(jié)和控制，則可以使所構建的差頻型全光波長轉換器具備寬帶連續(xù)可調諧能力。對于LiNbO3光波導來說，在室溫附近溫度的改變所導致的泵浦波長工作窗口的整體漂移約為+0.05nm/℃。因此如果對LiNbO3光波導進行較小范圍的溫度調節(jié)，就可以根據需要在一定的范圍內靈活地改變梳狀分布的多個泵浦波長工作窗口的具體位置，從而實現泵浦波長的寬帶連續(xù)可調諧。以我們前面所述的長為42mm的LiNbO3光波導為例，由圖5可以看到8個泵浦波長工作窗口跨越的波長范圍約12nm，相鄰窗口之間的間隔只有1.6nm，如果采用合適的溫控設備對該光波導在32℃范圍內進行溫度調節(jié)，就可以使8個泵浦波長工作窗口完全覆蓋這12nm波長范圍內的所有區(qū)域。
本發(fā)明設計的光波長轉換器整體結構裝置如圖8所示。高功率可調激光器10提供差頻型光波長轉換所需的高功率泵浦光(頻率為ωp)，可以選用窄線寬半導體激光器，也可選用鈦寶石固體激光器。需轉換的單波長或多波長信號光(光頻率分別用ωs1，ωs2……表示)進入到波長轉換器中并通過光耦合器2和泵浦光耦合到一起，再注入變周期分布π相移域的光波導11中。偏振控制器12用來對泵浦光和信號光在光纖中傳輸的偏振態(tài)進行調節(jié)和控制，使其與波導中的傳輸模式良好匹配。光波導11被置于半導體溫度控制器13上，半導體溫度控制器13可以根據需要實時地改變和控制光波導11的工作溫度。泵浦光和信號光在光波導11中通過差頻效應產生頻率為ωc1，ωc2……的新光場，從而實現波長轉換，在輸出端用光濾波器4濾出新光場。
權利要求
1.一種差頻型全光波長轉換器，依次包括激光光源、偏振控制器、光耦合器、光柵波導、光濾波器和光纖，偏振控制器對泵浦光和信號光的偏振態(tài)進行調節(jié)和控制，再通過光耦合器同時耦合進光波導中，產生新的差頻光，差頻光通過光濾波器輸出；其特征在于所述光柵波導劃分成子段，每個子段具有相同的準相位匹配周期，但又分別插入了不同分布周期的π相移域，光波導各子段長度和插入的π相移域數目與所要求泵浦窗口位置的關系應滿足式Δλ＝±π(mi+1)/(kLi)，式中Δλ為泵浦波長工作窗口位置，mi表示第i個子段包含的π相移域的數目，Li表示第i個子段的長度，k是比例系數。
2.根據權利要求1所述的波長轉換器，其特征在于所述光柵波導的各子段長度基本相等，在每個子段中所插入的π相移域數目之差相等。
3.根據權利要求1或2所述的波長轉換器，其特征在于所述光柵波導置于半導體溫度控制器上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種差頻型全光波長轉換器，依次包括激光光源、偏振控制器、光耦合器、變周期分布π相移域光柵波導、光濾波器和光纖，偏振控制器對泵浦光和信號光的偏振態(tài)進行調節(jié)和控制，再通過光耦合器同時耦合進光波導中，產生新的差頻光，新光場通過光濾波器輸出。不同周期分布的π相移域，使元件的波長轉換效率隨泵浦波長的變化曲線由原來的單峰曲線的變?yōu)榫哂卸鄠€峰值的梳狀曲線，從而使光波長轉換器可以工作于多個不同的泵浦波長窗口，大大提高了有效泵浦帶寬。該波長轉換器具有多個等間隔分布的泵浦波長窗口，其窗口數目、位置和間隔可通過參數設計和溫度控制進行調整，從而具備可適用于波分復用系統(tǒng)的寬帶可調諧能力。
文檔編號G02F1/37GK1490658SQ03125348
公開日2004年4月21日 申請日期2003年8月29日 優(yōu)先權日2003年8月29日
發(fā)明者孫軍強, 劉威, 羅傳紅 申請人:華中科技大學