專利名稱：利用原子相干實(shí)現(xiàn)色散控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種光色散的補(bǔ)償技術(shù)，具體涉及利用原子相干效應(yīng)實(shí)現(xiàn)摻鉺YAG晶體中色散控制的方法，適用于光通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在光纖通信系統(tǒng)中，色散是影響傳輸信息質(zhì)量的主要因素，它使傳輸脈沖展寬，同時(shí)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致誤碼率增加，系統(tǒng)性能下降。色散補(bǔ)償是消除這種不利影響有效而且經(jīng)濟(jì)的手段。
針對(duì)色散的物理機(jī)理，人們研究了各種色散補(bǔ)償技術(shù)，如目前常用的色散補(bǔ)償光纖法、啁啾光纖光柵法、頻譜反轉(zhuǎn)法等。
隨著全光通信網(wǎng)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)范圍的加大，色散的補(bǔ)償也變得復(fù)雜，而上述方法需要針對(duì)傳輸距離和速率預(yù)先設(shè)計(jì)系統(tǒng)的補(bǔ)償方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，利用一個(gè)在摻鉺的YAG晶體中的四能級(jí)系統(tǒng)，通過(guò)相干泵浦和非相干泵浦的作用，實(shí)現(xiàn)并控制晶體介質(zhì)中的正常色散和反常色散，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)色散的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
鉺離子摻雜的YAG晶體對(duì)激光器或放大器而言是一種非常優(yōu)良的介質(zhì)，其運(yùn)行在中紅外頻帶，剛好是光通信頻帶。
本發(fā)明選用鉺離子摻雜的YAG晶體作為芯層，選用二氧化硅作為包層，利用薄膜沉積技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝，制備出一種波導(dǎo)型器件(參見(jiàn)圖1和圖2)，該波導(dǎo)型器件與單模光纖的模式能夠很好的匹配。為了將波導(dǎo)型器件應(yīng)用于光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)色散的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，本發(fā)明設(shè)計(jì)了色散控制系統(tǒng)(參見(jiàn)圖3)，就是用一個(gè)光耦合器把信號(hào)光、相干泵浦及非相干泵浦通過(guò)光纖耦合入波導(dǎo)型器件，從波導(dǎo)型器件另一端出射的光再由光纖耦合出來(lái)。所說(shuō)的光耦合器是具有四個(gè)光纖接口的星型耦合器。
信號(hào)光可以是波長(zhǎng)在1500～1600nm范圍可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器，相干泵浦可以是波長(zhǎng)為1693.77nm的半導(dǎo)體激光器，非相干泵浦可以是波長(zhǎng)為976nm的半導(dǎo)體二極管。
波導(dǎo)型器件的鉺離子摻雜的YAG晶體芯層橫截面可以為脊形或矩形，鉺離子摻雜濃度為0.50～0.55at.％。
在摻鉺YAG晶體中，本發(fā)明利用原子相干，通過(guò)加一個(gè)強(qiáng)的相干泵浦和一個(gè)非相干泵浦來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)光的吸收和折射率。當(dāng)非相干泵浦較小時(shí)，我們?cè)谛盘?hào)光中心頻率兩側(cè)能夠得到兩個(gè)吸收峰，在兩個(gè)吸收峰中間的透明窗口中，對(duì)信號(hào)光有一個(gè)大的正常色散。當(dāng)非相干泵浦較大時(shí)，能夠得到兩個(gè)增益峰，在兩個(gè)增益峰之間的透明窗口中得到反常色散曲線。
前述的非相干泵浦較小、較大時(shí)，是以鉺離子摻雜YAG晶體的能級(jí)系統(tǒng)中能級(jí)|2>和能級(jí)|1>之間的自發(fā)輻射速率Γ21為基本單位，Γ21＝239.1Hz，在非相干泵浦Λ小于2.5Γ21時(shí)為“較小”，相干泵浦Ωc＝60～120Γ21，對(duì)信號(hào)光有較大的正常色散；在非相干泵浦Λ＝2.5～20Γ21時(shí)為“較大”，相干泵浦Ωc＝60～120Γ21，對(duì)信號(hào)光有反常色散曲線。可應(yīng)用于光通信中使色散得到補(bǔ)償?shù)南喔杀闷枝竎＝60～120Γ21，非相干泵浦Λ＝2.5～20Γ21。
總之，本發(fā)明在四能級(jí)摻鉺YAG晶體中既可以得到正常的信號(hào)光色散，又可以得到反常色散，并且可以通過(guò)改變相干泵浦和非相干泵浦來(lái)調(diào)節(jié)探測(cè)光的群折射率，能夠?qū)崿F(xiàn)色散的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。


圖1是本發(fā)明的芯層為脊形橫截面的波導(dǎo)型器件的截面示意圖。
圖2是本發(fā)明的芯層為矩形橫截面的波導(dǎo)型器件的截面示意圖。
圖3是本發(fā)明的色散控制系統(tǒng)示意圖。
圖4是鉺離子摻雜YAG晶體的能級(jí)系統(tǒng)。
圖5是m和n分別對(duì)應(yīng)Λ＝0和Λ＝0.5Γ21時(shí)的極化強(qiáng)度ρ21對(duì)于失諧Δp(×Γ21)的關(guān)系曲線。
圖6是m和n分別對(duì)應(yīng)Λ＝3Γ21和Λ＝4Γ21時(shí)的極化強(qiáng)度ρ21對(duì)于失諧Δp(×Γ21)的關(guān)系曲線。
圖7是Λ＝0.5Γ21時(shí)極化強(qiáng)度ρ21的實(shí)部和虛部對(duì)于失諧Δp(×Γ21)的關(guān)系曲線。
圖8是Λ＝4Γ21時(shí)極化強(qiáng)度ρ21的實(shí)部和虛部對(duì)于失諧Δp(×Γ21)的關(guān)系曲線。
圖9是群折射率和非相干泵浦Λ(×Γ21)的關(guān)系曲線。
圖10是群折射率和相干泵浦Ωc(×Γ21)的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合

本發(fā)明的方法。
實(shí)施例1波導(dǎo)型器件的結(jié)構(gòu)圖1給出一種利用鉺離子摻雜的YAG晶體制備的波導(dǎo)型器件5，其芯層的橫截面為脊形分布。圖1中深色部分為鉺離子摻雜的YAG晶體的芯層，淺色部分為二氧化硅膜包層。所涉及的具體參數(shù)分別為脊形的芯層下半部分高d＝1～2.7μm，脊形的芯層上半部分的矩形寬a＝3～5μm、高b＝0.8～2.5μm；上面包層高c＝3.5～50μm，下面包層高e＝3.5～50μm。
圖2給出另一種利用鉺離子摻雜的YAG晶體制備的波導(dǎo)型器件5，其芯層的橫截面為矩形分布。圖2中深色部分為鉺離子摻雜的YAG晶體的芯層，淺色部分為二氧化硅膜包層。橫截面為矩形的芯層寬a＝3～5μm、高b＝0.8～5.2μm。
鉺離子摻雜的濃度最好為0.52at.％。
實(shí)施例2色散控制系統(tǒng)色散控制系統(tǒng)參見(jiàn)圖3。圖3中，1為信號(hào)光，信號(hào)光是波長(zhǎng)在1500～1600nm范圍，2為相干泵浦，可以是波長(zhǎng)為1693.77nm的半導(dǎo)體激光器，3為非相干泵浦，可以是波長(zhǎng)為976nm的半導(dǎo)體二極管，4為光耦合器，5為波導(dǎo)型器件，6為光纖。
光耦合器4把信號(hào)光1、相干泵浦2及非相干泵浦3通過(guò)光纖6耦合入波導(dǎo)型器件5，從波導(dǎo)型器件5另一端出射的光再由光纖6耦合出來(lái)。所用的光耦合器4可以是具有四個(gè)光纖接口的星型耦合器；波導(dǎo)型器件5結(jié)構(gòu)見(jiàn)實(shí)施例1。
實(shí)施例3鉺離子摻雜YAG晶體的能級(jí)系統(tǒng)如圖4所示，鉺離子摻雜YAG晶體的能級(jí)系統(tǒng)中，|1>，|2>，|3>，|4>四個(gè)能級(jí)分別對(duì)應(yīng)Er3+的4I15/2，4I13/2，，4I11/2，4I9/2能級(jí)。在這個(gè)能級(jí)系統(tǒng)中，非相干泵浦Λ加在能級(jí)|1>和能級(jí)|3>之間，把粒子從能級(jí)|1>泵浦到能級(jí)|3>，并且通過(guò)自發(fā)輻射快速的馳豫到能級(jí)|2>。相干泵浦Ec加在能級(jí)|2>和能級(jí)|4>之間，拉比頻率是Ωc，信號(hào)光加在能級(jí)|2>和能級(jí)|1>之間，拉比頻率是Ωp。信號(hào)光和相干泵浦的失諧定義為Δp＝ωp-(ω2-ω1)，Δc＝ωc-(ω4-ω2)。Γi是|i>能級(jí)的自發(fā)輻射速率。
實(shí)施例4固定相干泵浦考察不同非相干泵浦對(duì)信號(hào)光失諧的影響圖5給出極化強(qiáng)度ρ21對(duì)于信號(hào)光失諧Δp(×Γ21)的函數(shù)圖像。其中固定信號(hào)光拉比頻率為Ωp＝1Γ21和固定相干泵浦拉比頻率為Ωc＝80Γ21。曲線m和曲線n分別對(duì)應(yīng)非相干泵浦Λ＝0和A＝0.5Γ21時(shí)的信號(hào)光失諧Δp情況。ρ21的實(shí)部(圖5中實(shí)線)對(duì)應(yīng)波導(dǎo)型器件5的群折射率ng，虛部(圖5中虛線)對(duì)應(yīng)波導(dǎo)型器件5的吸收。
圖6給出極化強(qiáng)度ρ21對(duì)于信號(hào)光失諧Δp(×Γ21)的函數(shù)圖像。其中固定信號(hào)光拉比頻率為Ωp＝1Γ21和固定相干泵浦拉比頻率為Ωc＝80Γ21。曲線m和曲線n分別對(duì)應(yīng)非相干泵浦Λ＝3和Λ＝4時(shí)的信號(hào)光失諧Δp情況。ρ21的實(shí)部(圖6中實(shí)線)對(duì)應(yīng)波導(dǎo)型器件5的群折射率ng，虛部(圖6中虛線)對(duì)應(yīng)波導(dǎo)型器件5的吸收。
在沒(méi)有非相干泵浦時(shí)，本發(fā)明的色散控制系統(tǒng)是一個(gè)傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)光透明的梯形模型。在這種情況下，在兩個(gè)吸收峰之間將出現(xiàn)透明的正的色散，如圖5、圖6所示，并會(huì)導(dǎo)致探測(cè)光群速度的減慢。隨著非相干泵浦的強(qiáng)度越來(lái)越大，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)光將從吸收變?yōu)榉糯?。從圖5和圖6中的虛線(吸收或增益)可以看出，隨著非相干泵浦的增大兩個(gè)吸收峰逐漸變小并進(jìn)一步變?yōu)閮蓚€(gè)增益峰。
由圖5可知，透明的正的色散存在于兩個(gè)吸收峰之間，并且隨著非相干泵浦的增大色散的斜率變小。
由圖6可知，透明的反常色散存在于兩個(gè)增益峰之間，并隨著非相干泵浦的增大色散的斜率變大。
實(shí)施例5固定非相干泵浦考察相干泵浦對(duì)探測(cè)光吸收和折射率的影響圖7和圖8給出極化強(qiáng)度ρ21的實(shí)部(實(shí)線)和虛部(虛線)對(duì)于失諧Δp(×Γ21)的函數(shù)圖像。圖7中固定Ωp＝1Γ21，Λ＝0.5Γ21；在圖8中固定Ωp＝1Γ21，Λ＝4Γ21。m和n分別對(duì)應(yīng)相干泵浦Ωc＝80Γ21和Ωc＝120Γ21的情況。
從圖7和圖8中可以發(fā)現(xiàn)，隨著耦合場(chǎng)的加大，透明窗口變寬，正的(負(fù)的)色散的斜率變小。
實(shí)施例6群折射率和非相干泵浦Λ、相干泵浦Ωc的關(guān)系利用鉺離子摻雜濃度為0.52at.％的YAG晶體中的各種參數(shù)，代入計(jì)算來(lái)考察強(qiáng)相干泵浦和非相干泵浦對(duì)信號(hào)光的群折射率ng的調(diào)節(jié)。
圖9顯示了群折射率和非相干泵浦Λ(×Γ21)的關(guān)系。其中Ωp＝1Γ21，Ωc＝120Γ21。在圖9中，固定Ωc考慮群折射率ng在中心頻率Δp＝0處隨非相干泵浦的變化。折射率ng隨非相干泵浦的增加而增加，并從正值變?yōu)樨?fù)值，同時(shí)探測(cè)光的群速度也將從小于光速變?yōu)槌馑佟?br> 圖10給出群折射率(×1013)和強(qiáng)相干泵浦Ωc(×Γ21)的關(guān)系。其中Ωp＝1Γ21，Ωc＝120Γ21。實(shí)線對(duì)應(yīng)Λ＝0.5Γ21.虛線對(duì)應(yīng)Λ＝4.0Γ21。在圖10中給出了當(dāng)Λ＝0.5Γ21和Λ＝4.0Γ21時(shí)群折射率ng隨相干泵浦的變化。從中可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論群折射率為正還是為負(fù)，它都隨著強(qiáng)相干場(chǎng)的增加而減少。
權(quán)利要求
1.一種利用原子相干實(shí)現(xiàn)色散控制的方法，其特征在于，用一個(gè)光耦合器(4)把信號(hào)光(1)、相干泵浦(2)及非相干泵浦(3)通過(guò)光纖(6)耦合入波導(dǎo)型器件(5)，從波導(dǎo)型器件(5)另一端出射的光再由光纖(6)耦合出來(lái)；所說(shuō)的光耦合器(4)是具有四個(gè)光纖接口的星型耦合器；所說(shuō)的波導(dǎo)型器件(5)是用鉺離子摻雜的YAG晶體作為芯層，用二氧化硅作為包層的。
2.如權(quán)利要求1所述的利用原子相干實(shí)現(xiàn)色散控制的方法，其特征在于以鉺離子摻雜YAG晶體的能級(jí)系統(tǒng)中能級(jí)|2>和能級(jí)|1>之間的自發(fā)輻射速率Γ21為基本單位，相干泵浦(2)Ωc＝60～120Γ21；在非相干泵浦(3)Λ＝2.5～20Γ21時(shí)，對(duì)信號(hào)光有反常色散曲線；在非相干泵浦(3)Λ小于2.5Γ21時(shí)，對(duì)信號(hào)光有正常色散。
3.如權(quán)利要求1或2所述的利用原子相干實(shí)現(xiàn)色散控制的方法，其特征在于所說(shuō)的波導(dǎo)型器件(5)，芯層橫截面形狀為脊形或矩形，鉺離子摻雜濃度為0.50～0.55at.％。
全文摘要
本發(fā)明的利用原子相干實(shí)現(xiàn)色散控制的方法屬光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種光色散的補(bǔ)償技術(shù)。色散控制系統(tǒng)是用一個(gè)光耦合器4把信號(hào)光1、相干泵浦2及非相干泵浦3通過(guò)光纖6耦合入波導(dǎo)型器件5，從波導(dǎo)型器件5另一端出射的光再由光纖6耦合出來(lái)。光耦合器4是具有四個(gè)光纖接口的星型耦合器；波導(dǎo)型器件5是用鉺離子摻雜的YAG晶體作為芯層，用二氧化硅作為包層的。本發(fā)明利用原子相干，通過(guò)加一個(gè)強(qiáng)的相干泵浦和一個(gè)非相干泵浦來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)光的吸收和折射率，實(shí)現(xiàn)并控制晶體介質(zhì)中的正常色散和反常色散，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)色散的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
文檔編號(hào)G02B6/24GK1719293SQ200510016990
公開(kāi)日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月18日
發(fā)明者高錦岳, 韋玨, 錢鈞 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)