專利名稱：基于鈮酸鋰光波導環形腔的全光波長轉換裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及非線性光學混頻技術領域和全光信號處理技術領域， 具體涉及一種基于鈮酸鋰光波導環形腔的全光波長轉換裝置。
背景技術：
全光波長轉換器能夠將一個光波長所攜帶的信息完全復制到另一個光波長上，是未來密集波分復用(DWDM)光網絡中不可缺少的關鍵器件。 波長轉換技術有助于實現波長再利用，有效進行動態路由選擇，降低網絡 擁擠阻塞率，進而可以提高光網絡的靈活性和可擴充性。目前常用的全光 波長轉換技術主要包括交叉增益調制(XGM)、交叉相位調制(XPM)、 非線性光學環形鏡(NOLM)、激光器增益飽和效應、四波混頻(FWM)、 二階非線性效應等等。在這些方案中，基于周期極化反轉鈮酸鋰(PPLN) 無源光波導二階非線性效應的波長轉換技術具有獨特的優越性，其最大的 特點是響應速度快以及波長轉換過程的嚴格透明性，表現為與信號的比特 率和調制格式無關，因而近年來正在受到各國科技工作者的高度重視。目前國內外在基于PPLN光波導二階非線性效應的波長轉換方面已經 開展了許多非常有意義的工作，主要包括基于直接差頻(DFG)，基于級聯 倍頻和差頻(SHG+DFG)，基于級聯和頻與差頻(SFG+DFG)等二階以及 級聯二階非線性效應的波長轉換技術。DFG型波長轉換由于泵浦光(0.77 pm)和信號光(1.5 pm)處于不同波段，因此難以同時實現泵浦光和信號 光在光波導內的單模傳輸。SHG+DFG型波長轉換解決了 DFG型波長轉換 器遇到的困難，注入泵浦光和信號光同處于1.5pm波段，可以實現1.5pm 波段的全光波長轉換。盡管如此，由于在SHG+DFG過程中位于倍頻(SHG) 過程準相位匹配(QPM)波長處的泵浦光波長響應帶寬非常窄( 0.3 nm)， 因此，對于固定輸入的信號光，傳統的SHG+DFG型波長轉換器難以實現 轉換空閑光的可調諧輸出，而可調諧的波長轉換對于增強網絡管理的靈活
性又是非常重要的。SFG+DFG型波長轉換可以同時解決DFG型和傳統 SHG+DFG型波長轉換器所遇到的問題， 一方面所有入射光均處于1.5 pm 波段，另一方面即使對于固定波長輸入的信號光也可以方便地實現可調諧 的波長轉換。例如- 2003年Y. H. Min等人在文章"TumWe all-optical wavelength conversion of 5 ps pulses by cascaded sum- and difference frequency generation (cSFG/DFG) in a Ti:PPLN waveguide," in戶rac.Go附www'c加'o"s Co"/， vol. 2， Mar" 23-28 2003， pp. 767-768 ("利用鈦擴 散周期極化反轉鈮酸鋰光波導級聯和頻與差頻二階非線性效應實現5皮秒 脈沖可調諧全光波長轉換，"光纖通信會議，2巻，2003年3月23日-28日， 767頁-768頁)中，首次實驗報道了基于SFG+DFG重復頻率為10 G他、 脈寬為5 ps的脈沖信號光的可調諧波長轉換。然而，在已經報道的 SHG+DFG和SFG+DFG型波長轉換方案中，需要使用昂貴的外腔激光器作 為外界泵浦光源，特別是基于SFG+DFG的波長轉換需要同時使用兩個外 界泵浦光源，這就大大增加了波長轉換器的復雜性并提高了系統的成本。 盡管C. Q. Xu等人在文章"Intracavity wavelength conversions employing a MgO-doped LiNb03 quasi-phase-matched waveguide and an erbium-doped fiber amplifier," J C^. & c.5， vol. 20， No. 10， pp. 2142-2149, Oct. 2003 (利用MgO摻雜鈮酸鋰準相位匹配光波導和摻鉺光纖放大器實現腔內波長 轉換，"美國光學協會期刊B， 20巻，10期，2142頁-2149頁，200年10 月)中，提出了基于SHG+DFG的腔內波長轉換以節省一個外界泵浦光源， 但由于泵浦光位于SHG過程的準相位匹配波長處因而無法實現可調諧的腔 內波長轉換。另外，基于SFG+DFG的腔內波長轉換因為需要同時節省兩 個外界泵浦光源到目前為止還沒有相關的研究報道。除此之外，已有的波 長轉換大都還停留在單信道一單信道的波長轉換，對單信道一雙信道的可 調諧波長轉換、單信道一多信道("廣播式")的可調諧波長轉換、以及多 信道同時轉換等方面的關注還比較少。鑒于此，如何對傳統SHG+DFG型 波長轉換方案進行改進以實現可調諧功能，如何設計無需注入外界泵浦光 的基于PPLN環形腔結構的多功能波長轉換器(單信道一單信道、單信道 一雙信道、單信道一多信道可調諧波長轉換以及多信道同時轉換)將具有
實際的研究應用價值。 發明內容本實用新型的目的在于提供一種基于鈮酸鋰光波導環形腔的全光波長 轉換裝置，該裝置具有結構簡單、成本低、運行可靠和擴展性好的特點。本實用新型提供的一種基于鈮酸鋰光波導環形腔的全光波長轉換裝 置，其特征在于該裝置包括沿順時針方向依次光路連接的第一光耦合器、 摻鉺光纖放大器、偏振控制器、PPLN光波導、光隔離器、第二光耦合器和 泵浦光波長選擇器，構成第一環形腔激光器；其中第一光耦合器對進入的光波進行耦合，再經摻鉺光纖放大器放大后 通過偏振控制器對光波的偏振態進行調整，然后進入PPLN光波導；泵浦 光由內置PPLN光波導的第一環形腔激光器內部激射產生，泵浦光在環形 腔中沿順時針方向依次傳輸，泵浦光波長由泵浦光波長選擇器決定；PPLN 光波導用于對信號光和第一環形腔激光器內部激射產生的泵浦光進行處 理，使其發生非線性效應實現波長轉換；光隔離器用于保證環形腔內光波 沿順時針方向單向傳輸，轉換得到的轉換空閑光從第二光耦合器輸出。本實用新型針對現有全光波長轉換技術存在的不足，提供一種基于 PPLN光波導環形腔結構的全光波長轉換裝置。該裝置一方面充分利用 PPLN光波導中的兩種級聯二階非線性效應實現多種全光波長轉換功能，大 大提高了波長轉換的靈活性；另一方面利用裝置內部的環形腔激光器產生 泵浦光，擺脫了以往對昂貴的外腔激光器作為外界泵浦光源的依靠，裝置 結構簡單，容易實現，成本大大降低，而且運行可靠。具體而言，本實用 新型與現有的波長轉換技術和裝置相比具有如下優點-其一、基于PPLN 二階非線性效應的全光波長轉換與基于半導體光放 大器(SOA)交叉增益調制和交叉相位調制等的波長轉換以及基于光纖四 波混頻的波長轉換相比具有顯著的優勢。(1) 、相比于半導體光放大器，PPLN光波導是無源光波導，因此在波長 轉換過程中PPLN光波導自身不會引入自發輻射噪聲的影響；(2) 、相比于光纖四波混頻，PPLN具有更高的非線性系數有利于非線性
效應的進行，而且PPLN光波導結構緊湊易于集成和模塊化，性能可靠；(3) 、 PPLN光波導中有倍頻(SHG)、和頻(SFG)、差頻(DFG)等豐 富的二階非線性效應以及相互間的級聯二階非線性效應，如級聯倍頻和差 頻(SHG+DFG)以及級聯和頻與差頻(SFG+DFG)，這些大大增加了基于 PPLN光波導二階非線性效應波長轉換的可選擇性；(4) 、基于PPLN光波導二階非線性效應的波長轉換還具有如下一些理 想波長轉換器的特點① 超快的響應速度(fs量級)；② 與信號的比特率和調制格式無關；③ 多波長同時轉換和較寬的動態變換范圍；④ 光譜和啁啾反轉可用于色散補償；⑤ 參量放大；◎轉換過程無內部頻率啁啾。其中超快的響應速度和對信號比特率及調制格式無關的特性可以增強 對40 Gbit/s及以上速率的高速信號以及各種新型調制格式信號(如歸零碼 RZ，載波抑制歸零碼CSRZ,差分相移鍵控碼DPSK，光雙二進制碼ODB 等)的處理能力，使得基于PPLN光波導二階非線性效應的波長轉換在未 來高速全光信號處理技術中具有潛在的優勢和應用前景。其二、本實用新型利用的基于PPLN光波導的級聯倍頻和差頻 (SHG+DFG) 二階非線性效應以及級聯和頻與差頻(SFG+DFG) 二階非 線性效應在傳統SHG+DFG和SFG+DFG基礎上有所改進和提高。(1) 、繼承了傳統SHG+DFG和SFG+DFG的優點，注入泵浦光和信號 光同處于1.5pm波段，克服了傳統直接差頻(DFG) 二階非線性效應由于 泵浦光(0.77 (am)和信號光(1.5 nm)處于不同波段而難以同時在光波導內進行單模傳輸的困難；(2) 、傳統SHG+DFG泵浦光位于倍頻(SHG)過程的準相位匹配波長處，響應帶寬非常窄( 0.3nm)，對于給定波長的信號光難以實現可調諧 的波長轉換。本實用新型利用的SHG+DFG對此進行了改進，將信號光置 于SHG過程的準相位匹配波長處，對于固定輸入的信號光，通過改變泵浦
光波長實現了轉換空閑光的可調諧輸出。另外，通過增加泵浦光的數目， 實現了固定輸入信號光單信道一雙信道以及單信道一多信道("廣播式")的可調諧波長轉換；(3)、改進后的SHG+DFG雖然實現了可調諧的波長轉換，但輸入信號 光的波長可調諧范圍卻變得很窄( 0.3 nm)，利用SFG+DFG可以解決這 個問題。通過使用兩個泵浦光并適當調節其波長可以很方便地實現可變輸 入信號光的可調諧波長轉換，輸入信號光和輸出轉換空閑光均可以在很寬 的范圍內調諧(>75nm)。本實用新型利用的SFG+DFG在此基礎上通過增 加泵浦光的數目，進一步實現了可變輸入信號光單信道一多信道("廣播 式")的可調諧波長轉換；其三、本實用新型提出的基于PPLN環形腔的波長轉換裝置結構簡單， 容易實現，成本低廉，穩定性可靠。(1) 、無需昂貴的外腔激光器提供泵浦光，泵浦光由內置了 PPLN光波 導的環形腔激光器產生，通過靈活設計使用不同的泵浦光波長選擇器可以 方便地產生單泵浦光，雙泵浦光以及多泵浦光從而實現形式豐富的多種波 長轉換功能，這樣可以大大降低裝置的復雜性和運行成本。例如，對于單 信道一多信道("廣播式")的波長轉換，使用一個多波長選擇器就可以省 掉多個外腔激光器，這在未來密集波分復用光網絡中具有潛在的推廣應用 價值。(2) 、環形腔激光器中內置的PPLN光波導和偏振控制器可以增加環形 腔的偏振不均勻性，從而可以緩解摻鉺光纖放大器的均勻加寬特性，另外 在環形腔的波長選擇器中使用可調光衰減器也可以平衡摻鉺光纖放大器的 增益競爭，這些對于環形腔激光器產生穩定的激射光進而保證波長轉換過 程的穩定性是非常有利的。其四、本實用新型裝置具有很好的可擴充性。(1) 、通過更換環形腔激光器中的泵浦光波長選擇器，可以進一步實現 輸入信號光固定或者可變的單信道--三信道、單信道一四信道……等形式 各樣的可調諧波長轉換；(2) 、環形腔激光器中的波長選擇器件可以靈活改變。例如，對于多波
長選擇器，其中的梳妝濾波器除了使用法布里-珀羅(FP)標準具外還可以 使用馬赫一曾德爾延時干涉儀(MZ-DI)、保偏光纖環形鏡(PMF-LM)等 具有梳妝濾波功能的器件。
圖1是本實用新型全光波長轉換裝置的原理示意圖；圖2是本實用新型全光波長轉換裝置的第一種結構示意圖；圖3 (a) (b)是兩種單波長選擇器件；圖4 (a) (b)是兩種雙波長選擇器件；圖5是多波長選擇器件；圖6是本實用新型全光波長轉換裝置的第二種結構示意圖； 圖7是本實用新型全光波長轉換裝置的第三種結構示意圖； 圖8是基于級聯倍頻和差頻(SHG+DFG)信號光固定可調諧波長轉換 的原理示意圖(a)單信道一單信道可調諧波長轉換，(b)單信道一雙信 道可調諧波長轉換，(c)單信道一多信道("廣播式")可調諧波長轉換。圖9是基于級聯和頻與差頻(SFG+DFG)信號光可變可調諧波長轉換 的原理示意圖；圖10是基于級聯和頻與差頻(SHG+DFG)信號光可變單信道一多信 道("廣播式")可調諧波長轉換的原理示意圖；圖11是基于級聯倍頻和差頻(SHG+DFG)多信道同時轉換的原理示 意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本實用新型作進一步詳細的說明。 本實用新型提供了無需外界注入泵浦光的基于PPLN環形腔結構的全 光波長轉換裝置，其特征是在環形腔激光器中內置PPLN光波導，利用PPLN 級聯倍頻和差頻(SHG+DFG)以及級聯和頻與差頻(SFG+DFG)兩種級 聯二階非線性效應實現多種全光波長轉換功能。轉換器的主體是基于PPLN 環形腔的波長轉換器，如圖1所示，主要包括PPLN光波導1 ，波長選擇器2以及摻鉺光纖放大器3,依次連接構成內置PPLN光波導的環形腔激光器。環形腔內部的光路走向為順時針方向。泵浦光由環形腔激光器內部激射產 生，信號光與泵浦光在PPLN光波導中發生級聯二階非線性效應生成轉換 輸出空閑光從而實現信號光到轉換空閑光的波長轉換。通過選擇不同的波 長轉換機制以及改變環形腔激光器的具體內部組成結構可以實現多種功能 的全光波長轉換。如圖2所示，本實用新型裝置包括沿順時針方向依次光路連接的第一 光耦合器4、摻鉺光纖放大器3、偏振控制器5、 PPLN光波導1、光隔離器 6、第二光耦合器7和泵浦光波長選擇器2，構成內置PPLN光波導的第一 環形腔激光器。其中，第一光耦合器4和第二光耦合器7分別對外提供信 號光輸入端口和轉換空閑光輸出端口。輸入信號光經第一光耦合器4進入該裝置內，經摻鉺光纖放大器3放 大后通過偏振控制器5對其偏振態進行調整，然后進入PPLN光波導1。泵 浦光由內置PPLN光波導的第一環形腔激光器內部激射產生，泵浦光在環 形腔中沿順時針方向傳輸依次經過"摻鉺光纖放大器3 —偏振控制器5 — PPLN光波導1 一光隔離器6—第二光耦合器7—泵浦光波長選擇器2 —第一 光耦合器4一摻鉺光纖放大器3"，其中摻鉺光纖放大器3提供泵浦光激射 所需的增益，偏振控制器光5調整泵浦光的偏振態，光隔離器6保證環形 腔內光波沿順時針方向單向傳輸，泵浦光波長選擇器2用于決定第一環形 腔激光器產生的內部激射泵浦光的波長，它可以為單波長選擇器2A、雙波 長選擇器2B或多波長選擇器2C。輸入信號光和第一環形腔激光器內部激 射產生的泵浦光進入PPLN光波導i后在其中發生非線性效應實現波長轉 換，轉換得到的轉換空閑光從第二光耦合器7輸出。基于圖2所示發明裝置，可以實現輸入信號光固定，無需注入外界泵 浦光的單信道一單信道、單信道一雙信道以及單信道一多信道("廣播式") 的可調諧全光波長轉換。其特征是在PPLN光波導1中信號光與泵浦光發 生級聯倍頻和差頻(SHG+DFG) 二階非線性效應信號光波長位于PPLN 光波導倍頻(SHG)過程的準相位匹配波長處，信號光通過倍頻(SHG) 過程產生的倍頻光同時與第一環形腔激光器內部激射產生的泵浦光發生差
頻(DFG)相互作用并生成轉換空閑光，通過調節泵浦光波長可以改變轉 換空閑光的波長以實現可調諧輸出。輸入信號光固定且是單信道，輸出轉 換空閑光的信道數目由泵浦光個數決定，根據環形腔中泵浦光波長選擇器2 使用的是單波長選擇器2A、雙波長選擇器2B、還是多波長選擇器2C可以 相應得到單信道一單信道、單信道一雙信道以及單信道一多信道("廣播 式")的可調諧波長轉換。基于圖2所示發明裝置，當其中的泵浦光波長選擇器2使用的是雙波 長選擇器2B時，還可以實現輸入信號光可變，無需注入外界泵浦光的可調 諧全光波長轉換。其特征是在PPLN光波導1中信號光與兩路泵浦光發生 級聯和頻與差頻(SHG+DFG) 二階非線性效應信號光與第一環形腔激光 器產生的第一路泵浦光通過和頻(SFG)過程產生和頻光，與此同時，第一 環形腔激光器產生的第二路泵浦光與和頻光發生差頻(DFG)相互作用并 生成轉換空閑光，對于可變輸入的信號光，通過適當改變兩路泵浦光的波 長可以實現轉換空閑光的可調諧輸出。如圖3(a)所示，單波長選擇器2A由第一可調光衰減器8和第一可調諧 濾波器9組成。光波在該單波長選擇器中從右向左傳輸。第一可調諧濾波 器9用以選擇需要的波長，第一可調光衰減器8用以適當調節選中波長對 應激射光在環形腔中的損耗進而控制激射光的光功率。第一可調光衰減器8 和第一可調諧濾波器9的位置可以互換。單波長選擇器2A也可以采用如圖3 (b)所示的結構，它由光環形器 10、可調光衰減器8以及光纖布拉格光柵(FBG) 11組成。光波在該單波 長選擇器中從右向左傳輸時的光路走向依次為"光環形器10端口 a—光環 形器10端口 b—第一可調光衰減器8—第一光纖布拉格光柵ll一第一可調 光衰減器8 —光環形器10端口 b—光環形器10端口 c"。利用第一光纖布拉 格光柵ll的反射譜選擇需要的波長，選用不同的光纖布拉格光柵可以得到 不同的激射波長，第一可調光衰減器8用以適當調節選中波長對應激射光在環形腔中的損耗以控制激射光的光功率。如圖4 (a)所示，雙波長選擇器2B由第一、第二可調光衰減器8， 12、 第一、第二可調諧濾波器9， 13以及第三、第四光耦合器14， 15組成。光
波在該雙波長選擇器中從右向左傳輸時首先經過第三光耦合器14分成上下 兩路并行傳輸，上路先后經過第一可調光衰減器8和第一可調諧濾波器9， 下路先后經過第二可調光衰減器12和第二可調諧濾波器13，上下兩路光波 然后經過第四光耦合器15耦合輸出。第一、第二可調諧濾波器9， 13分別 用于決定環形腔激光器中兩路激射光的波長，第一可調光衰減器8用于適 當調節和控制第一可調諧濾波器9決定的激射光的光功率，第二可調光衰 減器12用于適當調節和控制第二可調諧濾波器13決定的激射光的光功率。 第一可調光衰減器8和第一可調諧濾波器9的位置可以互換，第二可調光 衰減器12和第二可調諧濾波器13的位置可以互換。雙波長選擇器2B也可以采用如圖4 (b)所示的結構，由光環形器10、 第一、第二可調光衰減器8， 12以及第一、第二光纖布拉格光柵ll、 16組 成。光波在該雙波長選擇器中從右向左傳輸時的光路走向有兩路。第一路 為"光環形器10端口 a—光環形器10端口 b—第一可調光衰減器8_第一 光纖布拉格光柵ll一第一可調光衰減器8 —光環形器10端口 b—光環形器 10端口 c"，其中第一光纖布拉格光柵11的反射譜決定第一路激射光的波 長，選用不同的第一光纖布拉格光柵ll可以改變第一路激射光的波長，第 一可調光衰減器8用于調節和控制第一路激射光的光功率；第二路為"光 環形器10端口 a—光環形器10端口 b—第一可調光衰減器8 —第一光纖布 拉格光柵11 一第二可調光衰減器12—第二光纖布拉格光柵16—第二可調光 衰減器12—第一光纖布拉格光柵11一第一可調光衰減器8 —光環形器10端 口 b—光環形器10端口 c",其中第二光纖布拉格光柵16的反射譜決定第 二路激射光的波長，選用不同的第二光纖布拉格光柵16可以改變第二路激 射光的波長，第一、第二可調光衰減器8， 12用于調節和控制第二路激射 光的光功率。值得注意的是，圖4 (a) (b)中的第一、第二可調光衰減器8， 12可 以增加環腔內兩路激射光波損耗的不均勻性，從而可以減弱摻鉺光纖放大 器的均勻加寬特性，另外環腔中的偏振控制器和PPLN光波導等偏振器件 的使用也會引入不均勻性，這些可以保證獲得穩定的雙波長激射，因此對 于增強波長轉換過程的穩定性是非常有益的。
如圖5所示，多波長選擇器2C由摻鉺光纖放大器17、帶通濾波器18 以及法布里-珀羅(FP)標準具19組成。光波在該多波長選擇器中從右向 左傳輸。法布里-珀羅(FP)標準具19相當于一個梳狀濾波器，與帶通濾 波器18連接后構成了多波長選擇器的主體。多波長激射的波長間距由法布 里-珀羅(FP)標準具19決定，而激射波長的數目則取決于帶通濾波器18 的帶寬。帶通濾波器18和法布里-珀羅(FP)標準具19的位置可以互換。 摻鉺光纖放大器17為環形腔內部的多波長激射提供增益。如圖6所示，當要實現輸入信號光可變，無需注入外界泵浦光單信道 一多信道("廣播式")的可調諧波長轉換時，本實用新型裝置在圖2基礎 上增設多波長選擇器20以構成內置PPLN光波導的雙環腔激光器。增設的 第二環形腔激光器沿逆時針方向由第一光耦合器4、摻鉺光纖放大器3、偏 振控制器5、 PPLN光波導1、光隔離器6、第二光耦合器7和多波長選擇 器20依次光路連接而成，其中的多波長選擇器20用以產生多路泵浦光， 其結構與多波長選擇器2C的結構相同。第一環形腔激光器的結構與圖2相 同，光路走向為順時針方向，不過其中的泵浦光波長選擇器2為單波長選 擇器2A。輸入信號光經第一光耦合器4進入該裝置內。兩個環形腔激光器分別 激射一路和多路泵浦光，摻鉺光纖放大器3提供增益，光隔離器6保證兩 環形腔激光器中光路的單向傳輸。信號光和兩環形腔激光器內部激射產生 的泵浦光經摻鉺光纖放大器3放大并經偏振控制器5調整偏振態后進入 PPLN光波導1，在其中發生非線性效應實現波長轉換，轉換得到的轉換空 閑光從第二光耦合器7輸出。基于圖6所示發明裝置，可以實現輸入信號光可變，無需注入外界泵 浦光的單信道一多信道("廣播式")的可調諧全光波長轉換。其特征是在 PPLN光波導1中信號光與泵浦光發生級聯和頻與差頻(SFG+DFG) 二階 非線性效應:信號光與第一環形腔激光器產生的單個泵浦光通過和頻(SFG) 過程產生和頻光，與此同時，增設的第二環形腔激光器產生的多路泵浦光 與和頻光發生差頻(DFG)相互作用從而生成多路轉換空閑光，對于可變 輸入的單信道信號光，通過適當改變第一、第二環形腔激光器的激射泵浦
光波長可以實現多信道轉換空閑光的可調諧輸出，即輸入信號光可變的單 信道一多信道("廣播式")可調諧波長轉換。如圖7所示，當要實現無需注入外界泵浦光的多信道同時轉換的全光 波長轉換時，本實用新型裝置與圖6 —樣，也是在圖2基礎上增設多波長 選擇器20以構成內置PPLN光波導的雙環腔激光器。與圖6不同的時，圖 7中沒有外界輸入信號光。圖6中多波長選擇器20產生的多路激射光為多 路泵浦光，圖7中多波長選擇器20產生的多路激射光看作是多路信號光。 基于圖7發明裝置可以實現無需注入外界泵浦光的多信道同時轉換，其特 征是在PPLN光波導1中泵浦光與多路信號光發生級聯倍頻和差頻(SHG+DFG) 二階非線性效應第一環形腔激光器產生的單個泵浦光位于 PPLN光波導倍頻(SHG)過程的準相位匹配波長處，泵浦光通過倍頻(SHG) 過程產生的倍頻光同時與第二環形腔激光器產生的多路信號光發生差頻(DFG)相互作用并生成多路轉換空閑光由第二光耦合器7輸出。信號光 為多信道，轉換空閑光也為多信道且數目與信號光相等，即實現了多信道 的同時轉換。下面分別對本實用新型裝置的工作原理作進一步詳細的說明。 一、基于PPLN環形腔信號光固定的單信道一單信道、單信道一雙信 道以及單信道一多信道("廣播式")可調諧波長轉換 1、波長轉換原理 1.1、單信道一單信道如圖8 (a)所示，基于級聯倍頻和差頻(SHG+DFG) 二階非線性效應 信號光21位于PPLN光波導倍頻(SHG)過程的準相位匹配波長處，信號 光21經過倍頻(SHG)過程生成倍頻光22，與此同時，泵浦光23與倍頻 光22發生差頻(DFG)相互作用得到轉換空閑光24。根據能量守恒定理， 信號光21、倍頻光22、泵浦光23以及轉換空閑光24的波長滿足如下關系 式<formula>formula see original document page 15</formula>
1.2、單信道一雙信道如圖8 (b)所示，基本原理與單信道一單信道波長轉換相同，即基于 SHG+DFG:信號光21位于PPLN光波導倍頻(SHG)過程的準相位匹配 波長處，信號光21通過倍頻(SHG)過程生成的倍頻光22同時與兩路泵 浦光23， 25發生差頻(DFG)相互作用，從而生成兩路轉換空閑光24， 26。 輸入信號光只有一路，輸出轉換空閑光變為兩路，因此對應單信道一雙信 道的波長轉換。根據能量守恒定理，信號光21、倍頻光22、兩路泵浦光23， 25以及兩路轉換空閑光24， 26的波長滿足如下關系式<formula>formula see original document page 16</formula>(2)1.3、單信道一多信道("廣播式")如圖8 (c)所示，基本原理與單信道一單信道以及單信道一雙信道波 長轉換相同，即基于SHG+DFG:信號光21位于PPLN光波導倍頻(SHG) 過程的準相位匹配波長處，信號光21通過倍頻(SHG)過程生成倍頻光22， 同時多路泵浦光27與倍頻光22發生差頻(DFG)相互作用，從而生成多 路轉換空閑光28。輸入信號光只有一路，輸出轉換空閑光變為多路，即實 現了單信道一多信道("廣播式")的波長轉換。根據能量守恒定理，信號 光21、倍頻光22、多路泵浦光27以及多路轉換空閑光28的波長滿足如下關系式<formula>formula see original document page 16</formula>2、波長轉換可調諧原理
根據PPLN光波導中SHG+DFG過程的內稟特性，處于倍頻(SHG) 過程準相位匹配波長處的光波可調諧范圍非常窄，傳統的基于SHG+DFG 的波長轉換方案泵浦光位于準相位匹配波長處，雖然輸入信號光波長可以 在較寬的范圍內改變，但對于固定輸入的信號光卻難以實現可調諧的波長 轉換。本實用新型將信號光置于準相位匹配波長處，根據式(1)，對于給 定的信號光波長，通過改變泵浦光波長就可以方便地實現單信道—單信道 的可調諧波長轉換；根據式(2)，對于固定波長的輸入信號光，通過調節 兩路泵浦光波長可以方便地實現單信道一雙信道的可調諧波長轉換；根據 式(3)，對于給定的信號光波長，通過改變多路泵浦光波長就可以很容易地實現單信道一多信道的可調諧波長轉換。二、基于PPLN環形腔信號光可變的可調諧波長轉換1、 波長轉換原理如圖9所示，基于級聯和頻與差頻(SFG+DFG) 二階非線性效應需 要兩個泵浦光23， 25參與。對于可變輸入的信號光21，調節第一個泵浦光 23波長使其與信號光21波長滿足或近似滿足和頻(SFG)過程的準相位匹 配條件，此時第一個泵浦光23和信號光21的波長近似關于倍頻(SHG) 過程準相位匹配波長對稱，信號光21和第一個泵浦光23通過和頻(SFG) 過程生成和頻光29，與此同時，第二個泵浦光25與和頻光29發生差頻 (DFG)相互作用得到轉換空閑光30。根據能量守恒定理，信號光21、第 一個泵浦光23、和頻光29、第二個泵浦光25以及轉換空閑光30的波長滿 足如下關系式SFG: 1"SF +1"P1DFG: 1", =l//lSF-1"P2 (4) SFG + DFG: l/A,. =l"s +1/4 -1"P22、 波長轉換可調諧原理對于基于SHG+DFG信號光固定的可調諧波長轉換，由于信號光位于 倍頻(SHG)過程的準相位匹配波長處，因此信號光波長的可變范圍非常 小(3dB帶寬 0.3nm)。相比之下，對于基于SFG+DFG的波長轉換，當 信號光21波長改變時，只要通過適當調節第一個泵浦光23的波長以保持
和頻光29的波長不變，從而滿足或近似滿足和頻(SFG)過程的準相位匹 配條件，信號光21波長可以在非常寬(3dB帶寬"5nm)的波長范圍內變 化。根據式(4)，當保持和頻光29波長不變時，第一個泵浦光23的波長 由輸入信號光21波長決定，轉換空閑光30波長則由第二個泵浦光25波長 決定。通過適當調節兩個泵浦光23， 25的波長可以非常方便地實現可變輸 入信號光到可變輸出轉換空閑光的可調諧波長轉換。三、基于PPLN環形腔信號光可變的單信道一多信道("廣播式")可 調諧波長轉換1、波長轉換原理如圖10所示，基本原理與信號光可變的可調諧波長轉換相同，即基于 級聯和頻與差頻(SFG+DFG) 二階非線性效應單信道一n信道的波長轉 換需要n+l路泵浦光23， 31的參與。對于可變輸入信號光21，調節第一路 泵浦光23的波長使其與信號光21波長滿足或近似滿足和頻(SFG)過程的 準相位匹配條件，此時第一路泵浦光23和信號光21的波長近似關于倍頻 (SHG)過程準相位匹配波長對稱，信號光21和第一路泵浦光23通過和 頻(SFG)過程生成的和頻光29同時與另外n路泵浦光31發生差頻(DFG) 相互作用從而得到n路轉換空閑光32。根據能量守恒定理，信號光21、第 一路泵浦光23、和頻光29、另外n路泵浦光31以及n路轉換空閑光32的 波長滿足如下關系式SFG: -I/As +l//lp。dfg: i/;in ==i/;iSF —i/義p,SFG + DFG: I"" =1/4 +i/;iP。 -1/、…… (5)DFG: 1/人 =1"SF -1"P SFG + DFG: l//tin =l"s +l/々0 —1"P2、波長轉換可調諧原理類似于基于SFG+DFG信號光可變的可調諧波長轉換，根據式(5)，對 于給定的信號光波長，當保持和頻光29波長不變時，第一路泵浦光23波
長由輸入信號光21波長決定，n路轉換空閑光32波長相應的由n路泵浦光 31波長決定。通過適當調節第一路泵浦光23和另外n路泵浦光31的波長 就可以很容易地實現信號光可變的單信道一多信道("廣播式")可調諧波 長轉換。四、基于PPLN環形腔多信道同時轉換 1、波長轉換原理如圖11所示，基于級聯倍頻和差頻(SHG+DFG) 二階非線性效應泵浦光23位于倍頻(SHG)過程的準相位匹配波長處，泵浦光23經過倍頻(SHG)過程生成倍頻光33，與此同時，n路信號光34與倍頻光33發生差頻(DFG)相互作用得到相應的n路轉換空閑光35，即實現了多信道的同時波長轉換。根據能量守恒定理，泵浦光23、倍頻光33、 n路信號光34以及n路轉換空閑光35的波長滿足如下關系式<formula>formula see original document page 19</formula>總之，本實用新型裝置可以靈活實現無需注入外界泵浦光的多種全光 波長轉換功能，特別是單信道一雙信道以及單信道一多信道("廣播式") 的可調諧全光波長轉換，這些對于推動全光波長轉換新技術新裝置的發展 具有重要的意義。
權利要求1、一種基于鈮酸鋰光波導環形腔的全光波長轉換裝置，其特征在于該裝置包括沿順時針方向依次光路連接的第一光耦合器(4)、摻鉺光纖放大器(3)、偏振控制器(5)、PPLN光波導(1)、光隔離器(6)、第二光耦合器(7)和泵浦光波長選擇器(2)，構成第一環形腔激光器；其中第一光耦合器(4)對進入的光波進行耦合，再經摻鉺光纖放大器(3)放大后通過偏振控制器(5)對光波的偏振態進行調整，然后進入PPLN光波導(1)；泵浦光由內置PPLN光波導的第一環形腔激光器內部激射產生，泵浦光在環形腔中沿順時針方向傳輸，泵浦光波長由泵浦光波長選擇器(2)決定；PPLN光波導(1)用于對信號光和第一環形腔激光器內部激射產生的泵浦光進行處理，使其發生非線性效應實現波長轉換；光隔離器(6)用于保證環形腔內光波沿順時針方向單向傳輸，轉換得到的轉換空閑光從第二光耦合器(7)輸出。
2、 根據權利要求1所述的全光波長轉換裝置，其特征在于外界信號 光經第一光耦合器(4)注入裝置內；泵浦光波長選擇器(2)由可調光衰減器(8) 和可調諧濾波器(9)組成。
3、 根據權利要求1所述的全光波長轉換裝置，其特征在于外界信號 光經第一光耦合器(4)注入裝置內；泵浦光波長選擇器(2)包括光環形器(10)、 第一可調光衰減器(8)和第一光纖布拉格光柵(11);光環形器(10)的端口 b與 第一可調光衰減器(8)相連，第一光纖布拉格光柵(11)與第一可調光衰減器(8) 相連，光環形器(10)的端口a、 c分別與第二、第一光耦合器(7、 4)相連。
4、 根據權利要求1所述的全光波長轉換裝置，其特征在于外界信號光經第一光耦合器(4)注入裝置內；泵浦光波長選擇器(2)的結構為第一可調諧濾波器(9)和第一可調光衰減器(8)相連形成支路，第二可調光衰減器(12) 和第二可調諧濾波器(13)相連形成另一支路，這二條支路并行連接后分別與 第三、第四光耦合器(14、 15)相連，第三、第四光耦合器(14、 15)的另一端 分別與第二、第一光耦合器(7、 4)相連。
5、 根據權利要求1所述的全光波長轉換裝置，其特征在于外界信號 光經第一光耦合器(4)注入裝置內；泵浦光波長選擇器(2)的結構為第一可 變光衰減器(8)、第一光纖布拉格光柵(ll)、第二可變光衰減器(12)、第二光 纖布拉格光柵(16)依次串行連接后由第一可變光衰減器(8)與光環形器(10) 的端口b連接；光環形器(10)的端口a、 c分別與第二、第一光耦合器(7、 4) 相連。
6、 根據權利要求1所述的全光波長轉換裝置，其特征在于外界信號 光經第一光耦合器(4)注入裝置內；泵浦光波長選擇器(2)包括摻鉺光纖放大 器(17)、帶通濾波器(18)和法布里-珀羅標準具(19);摻鉺光纖放大器(17)的 輸入端作為泵浦光波長選擇器(2)的輸入端與第二光耦合器(7)相連，摻鉺光 纖放大器(17)的輸出端與帶通濾波器(18)或法布里-珀羅標準具(19灘連，泵 浦光波長選擇器(2)的輸出端與第一光耦合器(4)相連。
7、 根據權利要求1所述的全光波長轉換裝置，其特征在于所述泵浦 光波長選擇器(2)為單波長選擇器(2A)，該裝置還包括多波長選擇器(20)， 多波長選擇器(20)包括摻鉺光纖放大器、帶通濾波器和法布里-珀羅標準具； 摻鉺光纖放大器的輸入端作為多波長選擇器(20)的輸入端，摻鉺光纖放大器 的輸出端與帶通濾波器或法布里-珀羅標準具相連；多波長選擇器(20)的輸入端與第二光耦合器(7)的輸出端相連，多波長選 擇器(20)的輸出端與第一光耦合器(4)的輸入端相連，構成內置PPLN光波導 的第二環形腔激光器；內置PPLN光波導的第二環形腔激光器產生的多波長激光作為多路信 號光。
8、根據權利要求2或3所述的全光波長轉換裝置，其特征在于外界 信號光經第一光耦合器(4)注入裝置內；該裝置還包括多波長選擇器(20)，多 波長選擇器(20)包括摻鉺光纖放大器、帶通濾波器和法布里-珀羅標準具； 摻鉺光纖放大器的輸入端作為多波長選擇器(20)的輸入端，摻鉺光纖放大器的輸出端與帶通濾波器或法布里-珀羅標準具相連；多波長選擇器(20)的輸入端與第二光耦合器(7)的輸出端相連，多波長選 擇器(20)的輸出端與第一光耦合器(4)的輸入端相連，構成內置PPLN光波導 的第二環形腔激光器。
專利摘要本實用新型公開了一種基于鈮酸鋰光波導環形腔的全光波長轉換裝置，包括沿順時針方向依次光路連接的第一光耦合器、摻鉺光纖放大器、偏振控制器、PPLN光波導、光隔離器、第二光耦合器和泵浦光波長選擇器，構成內置PPLN光波導的環形腔激光器。PPLN光波導對信號光和環形腔激光器內部激射產生的泵浦光進行處理，使其發生非線性效應實現波長轉換；轉換得到的轉換空閑光從第二光耦合器輸出。本實用新型一方面充分利用PPLN光波導中兩種級聯二階非線性效應實現多種全光波長轉換功能，大大提高了波長轉換的靈活性；另一方面利用裝置內部的環形腔激光器產生泵浦光，擺脫了以往對昂貴的外腔激光器作為外界泵浦光源的依靠，裝置結構簡單容易實現，成本大大降低，而且運行可靠。
文檔編號G02F1/35GK201035285SQ200620163350
公開日2008年3月12日 申請日期2006年12月1日 優先權日2006年12月1日
發明者孫軍強, 健 王 申請人:華中科技大學