集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的方法及裝置。通過兩路連續(xù)光激光器發(fā)出光將線偏振泵浦光和信號光同時入射到集成平面波導中發(fā)生四波混頻效應，調節(jié)泵浦光的偏振方向與集成波導的主軸成特定泵浦光偏振角度，使得集成平面波導的TE主軸和TM主軸上的四波混頻效率保持一致。因此本發(fā)明能保證輸出的轉換效率不隨信號光的偏振態(tài)變化，實現偏振不敏感的全光波長轉換，可為下一代的全光網絡節(jié)點信號處理提供參考。
【專利說明】集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種波長轉換的方法及裝置，尤其是涉及屬于光纖通信及全光信號處理領域的一種集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的方法及裝置。

【背景技術】
[0002]隨著光通信技術的迅猛發(fā)展，光通信網絡的傳輸速率越來越高，容量越來越大。為了避免“電子瓶頸”的限制，支持更高速率、更大容量的數據傳輸，在交換節(jié)點處采用全光信號處理技術直接在光域進行處理成為一項重要選擇。在波長路由網絡中，每個信道都是用特定波長標識的，不同波長代表不同信道。為了避免網絡阻塞，在網絡節(jié)點處進行波長轉換是必不可少的。另外，隨著集成光電子學技術的發(fā)展，利用集成平面波導研制各類光通信器件從而大大減小通信節(jié)點的體積成為一個重要趨勢。因而，發(fā)展集成型波長轉換器件對于下一代光通信網絡具有重要的現實意義。
[0003]實現全光波長轉換的典型方法是利用非線性介質中的四波混頻效應，通過信號光和泵浦光的相互作用，產生新頻率的閑頻光作為轉換光信號。近年來，多種集成波導材料顯示出了良好的非線性特性，如硅、II1-V族半導體等。利用其中的四波混頻過程即可實現集成型全光波長轉換。但是，四波混頻過程從原理上是偏振敏感的，轉換效率隨信號光的偏振態(tài)的變化而變化，這給器件的實用性帶來了很多不便。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的方法及裝置，用集成平面波導實現偏振不敏感全光波長轉換。
[0005]本發(fā)明采用的技術方案是:
[0006]—、一種集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的方法:
[0007]將線偏振泵浦光和信號光同時入射到集成平面波導中發(fā)生四波混頻效應，調節(jié)泵浦光的偏振方向與集成波導的主軸成泵浦光偏振角度θ p，使得集成平面波導的TE主軸和TM主軸上的四波混頻效率保持一致，實現偏振不敏感的全光波長轉換。
[0008]所述的泵浦光偏振角度θ p由下列公式得到:
[0009]
θ ^arctanc::p「(U -a,-u)Ll\ 1-哪[(-木￡ ?] /1-exp[(Uf— )lj
y yTM^TM_2_jKTE + ap-TEJj^-TU ^p-TM
[0010]其中，K TE為集成平面波導TE主軸上的相位失配量，K ?為集成平面波導TM主軸上的相位失配量，Y TE為TE主軸上的非線性系數，Y TM為TM主軸上的非線性系數，α ρ_ΤΕ為TE主軸上的泵浦光損耗系數，α ρ_ΤΜ為TM主軸上的泵浦光損耗系數，a c_TE為TE主軸上的轉換光損耗系數，α。-ΤΜ為TM主軸上的轉換光損耗系數，Cte為TE主軸上的相對耦合效率，Ctm為TM主軸上的相對耦合效率，j為虛數單位，L為集成平面波導長度。
[0011]二、一種集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的裝置:
[0012]包括第一連續(xù)光激光器、第一偏振控制器、第一光放大器、第一濾波器、電光調制器、波分復用器、集成平面波導、接收端模塊、相位編碼信號解調器、光電探測器、第二連續(xù)光激光器、第二偏振控制器、第二光放大器、第二濾波器和第三濾波器；第一連續(xù)光激光器發(fā)出泵浦光經第一偏振控制器，輸入到第一光放大器中，第一光放大器輸出端經第一濾波器連接到波分復用器的第一輸入端；第二連續(xù)光激光器發(fā)出信號光經第二偏振控制器偏振調節(jié)后輸入到電光調制器中，信號源與電光調制器連接，電光調制器輸出端依次經第二光放大器、第二濾波器后連接到波分復用器的第二輸入端，波分復用器輸出端輸出的泵浦光和信號光同時入射到集成平面波導中發(fā)生四波混頻，產生轉換光，集成平面波導的輸出端經第三濾波器與接收端模塊連接。
[0013]所述的接收端模塊采用光電探測器。
[0014]所述的接收端模塊包括相位編碼信號解調器和光電探測器，集成平面波導的輸出端經第三濾波器后再經相位編碼信號解調器解調后與光電探測器連接。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
[0016]本發(fā)明通過采用成特定泵浦光偏振角度入射的泵浦光與信號光發(fā)生四波混頻效應，使得集成平面波導的TE和TM兩個主軸方向上的轉化效率達到一致，從而保證輸出的轉換效率不隨信號光的偏振態(tài)變化，實現偏振不敏感波長轉換的功能。
[0017]本發(fā)明可為下一代的全光網絡節(jié)點信號處理提供參考。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明方法的原理示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明裝置的連接結構示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明裝置的一種接收端模塊的結構示意圖。
[0021]圖4為本發(fā)明裝置的另一種接收端模塊的結構示意圖。
[0022]圖5為本發(fā)明實施例中泵浦光偏振角度隨波長的變化關系。
[0023]圖6為本發(fā)明實施例中轉換效率隨信號光偏振態(tài)的變化關系。
[0024]圖中:I為第一連續(xù)光激光器，2為第一偏振控制器,3為第一光放大器,4為第一濾波器，5為電光調制器，6為信號源，7為波分復用器，8為集成平面波導，9為第三濾波器，10為接收端模塊，11為第二連續(xù)光激光器，12為第二偏振控制器,13為第二光放大器,14為第二濾波器，15為光電探測器，16為相位編碼信號解調器。

【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明轉換方法包括:將線偏振泵浦光和信號光同時入射到集成平面波導中發(fā)生四波混頻效應，調節(jié)泵浦光的偏振方向與集成波導的主軸成特定的泵浦光偏振角度θ p，使得集成平面波導的TE主軸和TM主軸上的四波混頻效率保持一致，實現偏振不敏感的全光波長轉換。
[0027]上述泵浦光偏振角度θ p由下列公式得到:
[0028]θ =arctan 卜 Cg c,:r (?_Γ?1/-α^)?λ l-exp[(->-7E-CCp )L」/ 1- exP[(-j、?]
P ^ Tni^ru L 2 」 jKu+a— j jKIM +ar_JM
[0029]其中，K TE為集成平面波導TE主軸上的相位失配量，K ?為TM主軸上的相位失配量，Y TE為TE主軸上的非線性系數，Y TM為TM主軸上的非線性系數，α ρ_ΤΕ為TE主軸上的泵浦光損耗系數，α ρ_ΤΜ為TM主軸上的泵浦光損耗系數，a c_TE為TE主軸上的轉換光損耗系數，a c_TM為TM主軸上的轉換光損耗系數，Cte為TE主軸上的相對耦合效率，Ctm為TM主軸上的相對耦合效率，j為虛數單位，L為集成平面波導長度。
[0030]本發(fā)明提出的集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的方法可以用圖1所示的原理示意圖加以描述。當線偏振泵浦光入射到集成平面波導中時，泵浦光可以按照TE和TM兩主軸模式分解，同樣，信號光也可以分解到這兩個主軸上。根據四波混頻理論，只有同偏振的分量之間才會發(fā)生四波混頻效應得到轉換光，而相互垂直的偏振態(tài)之間的效率為零。因而，四波混頻將在TE和TM兩個偏振方向上分別發(fā)生，兩個方向上的效率由波導的特性參數以及泵浦光的偏振角度決定。
[0031]如圖2所示，本發(fā)明的轉換裝置包括第一連續(xù)光激光器1、第一偏振控制器2、第一光放大器3、第一濾波器4、電光調制器5、信號源6、波分復用器7、集成平面波導8、接收端模塊10、相位編碼信號解調器16、光電探測器15、第二連續(xù)光激光器11、第二偏振控制器
12、第二光放大器13、第二濾波器14和第三濾波器9。
[0032]第一連續(xù)光激光器1、第一偏振控制器2、第一光放大器3和第一濾波器4組成泵浦光鏈路；第二連續(xù)光激光器11、第二偏振控制器12、第二光放大器13、第二濾波器14、信號源6和電光調制器5組成信號光鏈路。
[0033]第一連續(xù)光激光器I發(fā)出泵浦光經第一偏振控制器2,輸入到第一光放大器3中，第一光放大器3輸出端經第一濾波器4連接到波分復用器7的第一輸入端；第二連續(xù)光激光器11發(fā)出信號光經第二偏振控制器12偏振調節(jié)后輸入到電光調制器5中，信號源6與電光調制器5連接，電光調制器5由信號源6發(fā)出的編碼信號控制，電光調制器5輸出端依次經第二光放大器13、第二濾波器14后連接到波分復用器7的第二輸入端，泵浦光和信號光通過波分復用器7同時接入到集成平面波導8中發(fā)生四波混頻，產生轉換光，集成平面波導8的輸出端經第三濾波器9與接收端模塊10連接。
[0034]如圖3所示，當信號源6發(fā)出強度編碼信號時，所述的接收端模塊10采用光電探測器15，集成平面波導8的輸出端經第三濾波器9后與光電探測器15連接。
[0035]如圖4所示，當信號源6發(fā)出相位編碼信號時，所述的接收端模塊10包括相位編碼信號解調器16和光電探測器15，集成平面波導8的輸出端經第三濾波器9后再經相位編碼信號解調器16解調后與光電探測器15連接。
[0036]在本發(fā)明中，激光器可選擇通信波段的各種連續(xù)光激光器，電光調制器、偏振控制器、光放大器、濾波器、解調器、光電探測器均可選用各種商業(yè)元器件。
[0037]本發(fā)明裝置的泵浦光由第一連續(xù)光激光器I提供，利用第一偏振控制器2調節(jié)其偏振角度，經過第一光放大器3放大并通過第一濾波器4濾波,提升其有效功率。信號光由第二連續(xù)激光器11提供，信號經過電光調制器5加載，經第二光放大器13放大、第二光濾波器14濾波以后和泵浦光通過波分復用器7合并后入射到集成平面波導8中發(fā)生四波混頻，產生轉換光，通過第三濾波器9濾出轉換光，進行信號接收。
[0038]對于接收端模塊，如圖3，接收端僅有一個光電探測器15，用于強度編碼信號的接收檢測；如圖4中，接收端由相位碼解調器16和光電探測器15構成，用于相位編碼信號的接收檢測。選擇哪種接收端取決于信號源6發(fā)出的信號編碼類型。
[0039]將泵浦光的偏振角度調節(jié)到上述公式中所計算出的數值，即可實現偏振不敏感全光波長轉換。
[0040]實施例1:
[0041]以截面高寬尺寸為300nmX500nm的條形娃基集成平面波導為例，通過計算可得TE 和 TM 主軸上的有效模場面積分別為 Aeff_TE = 9.484 X 1(Γ2 μ m2、Aeff_TM = 9.838 X 1(Γ2 μ m2。假設TM主軸的相對耦合效率為Ctm = 1，CTE/CTM = 0.473。線性傳輸損耗為a Un_TE = 2.5dB/cm, a Lin_TM = 2dB/cm，雙光子吸收系數為β TPA = 0.5cm/Gff,自由載流子吸收截面為σ=1.45X 10_17Cm2，有效載流子壽命為τ eff = 2.5ns，硅材料的非線性折射率系數為n2 =9X 10_18m2/W，波導長度為L = 0.8cm。在這些參數條件下，假設入射泵浦光功率為10mW,波長為1550nm，計算所得的泵浦光偏振角度隨信號光波長的變化關系如圖4所示。盡管所需的泵浦光偏振角度因信號光波長而異，但在很寬的信號光波長范圍內變化十分微小，可以當作常數看待。從1530nm到1570nm，所需的泵浦光偏振角度可由這一范圍內平均值代替，即為 28.844。。
[0042]按照實施例所確定的泵浦光偏振角度，假設信號光功率為lmW，轉換效率隨信號光偏振態(tài)的變化關系如圖5所示。不失一般性，信號光的偏振角度在O到90°范圍內變化。圖5中計算了多個信號光波長的轉換情況，可以看出他們的轉換效率因其不同的相位匹配條件而略有區(qū)別。盡管波長不同，但是他們的轉換效率隨信號光偏振態(tài)的波動都非常輕微。例如，波長為1541.66nm的信號光轉換效率沒有波動；波長為1560nm的信號光轉換效率僅波動0.002dB ;即便對于遠離泵浦光25nm的波長為1575nm的信號光，其轉換效率波動也只有0.398dB,因此實施例結果驗證了本發(fā)明波長轉換方法的偏振不敏感性，本發(fā)明具有顯著的技術效果。
【權利要求】
1.一種集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的方法，其特征在于:將線偏振泵浦光和信號光同時入射到集成平面波導中發(fā)生四波混頻效應，調節(jié)泵浦光的偏振方向與集成波導的主軸成泵浦光偏振角度θ p，使得集成平面波導的TE主軸和TM主軸上的四波混頻效率保持一致，實現偏振不敏感的全光波長轉換。
2.根據權利要求1所述的一種集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的方法，其特征在于:所述的泵浦光偏振角度θ p由下列公式得到:Q =arctan IrrsC^ ,::ρΓ(?-Γ, -α-τΜλ l-exp[(-yKm-ap_ro)x] / 1-exp[(->yM)l]^ yTU^TM_2_Jk-TE a B-TEjjKm + aP-TM 其中，K TE為集成平面波導TE主軸上的相位失配量，K ?為集成平面波導TM王軸上的相位失配量，Y TE為TE主軸上的非線性系數，Y TM為TM主軸上的非線性系數，a p_TE為TE主軸上的泵浦光損耗系數，a P-?為TM主軸上的泵浦光損耗系數，a c_TE為TE主軸上的轉換光損耗系數，a c_TM為TM主軸上的轉換光損耗系數，Cte為TE主軸上的相對耦合效率，Ctm為TM主軸上的相對耦合效率，j為虛數單位，L為集成平面波導長度。
3.用于實施權利要求1?2所述方法的一種集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的裝置，其特征在于:包括第一連續(xù)光激光器(I)、第一偏振控制器(2)、第一光放大器(3)、第一濾波器(4)、電光調制器(5)、波分復用器(7)、集成平面波導(8)、接收端模塊(10)、相位編碼信號解調器(16)、光電探測器(15)、第二連續(xù)光激光器(11)、第二偏振控制器(12)、第二光放大器(13)、第二濾波器(14)和第三濾波器(9)； 第一連續(xù)光激光器(I)發(fā)出泵浦光經第一偏振控制器(2),輸入到第一光放大器(3)中，第一光放大器(3)輸出端經第一濾波器(4)連接到波分復用器(7)的第一輸入端；第二連續(xù)光激光器(11)發(fā)出信號光經第二偏振控制器(12)偏振調節(jié)后輸入到電光調制器(5)中，信號源(6)與電光調制器(5)連接，電光調制器(5)輸出端依次經第二光放大器(13)、第二濾波器(14)后連接到波分復用器(7)的第二輸入端，波分復用器(7)輸出端輸出的泵浦光和信號光同時入射到集成平面波導(8)中發(fā)生四波混頻，產生轉換光，集成平面波導(8)的輸出端經第三濾波器(9)與接收端模塊(10)連接。
4.根據權利要求3所述的一種集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的裝置，其特征在于:所述的接收端模塊(10)采用光電探測器(15)。
5.根據權利要求3所述的一種集成平面波導型偏振不敏感全光波長轉換的裝置，其特征在于:所述的接收端模塊(10)包括相位編碼信號解調器(16)和光電探測器(15)，集成平面波導(8)的輸出端經第三濾波器(9)后再經相位編碼信號解調器(16)解調后與光電探測器(15)連接。
【文檔編號】G02F2/00GK104252084SQ201410476522
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權日:2014年9月18日
【發(fā)明者】高士明, 陸佳美, 王曉燕 申請人:浙江大學