一種基于貝塞爾啁啾光柵結構的全光波長轉換器的設計方法
【專利摘要】一種基于貝塞爾啁啾光柵結構的全光波長轉換器的設計方法，所述方法首先給出極化周期按照貝塞爾函數進行變化的周期極化鈮酸鋰晶體模型，然后在給定基于單通構型級聯SHG+DFG效應的全光波長轉換方案的約束條件后，尋找滿足此約束條件時貝塞爾啁啾光柵結構PPLN晶體模型的結構優化設計參數，最后利用這些設計參數確定全光波長轉換器的結構。本發明在全光波長轉換器的設計過程中綜合考慮了轉換帶寬、轉換效率以及轉換效率曲線的平坦性三種波長轉換特性，不僅可使設計出的波長轉換器具有平坦的波長轉換效率，而且可以極大地擴展波長轉換帶寬。
【專利說明】
-種基于貝塞爾嗎嗽光柵結構的全光波長轉換器的設計方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種基于貝塞爾調嗽光柵結構的全光波長轉換器的設計方法，可使全 光波長轉換器具有極大的波長轉換帶寬，同時保持平坦的波長轉換效率，屬于光學元件技 術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著網絡技術的不斷進步，業務模型不斷地發生變化，業務量也隨之爆炸式地增 長，光網絡正在向下一代全光通信網迅速發展。全光通信網不僅要能夠實現信息的超大容 量傳輸，而且要實現靈活、快速的路由選擇與光路配置。波分復用（WDM: Wavelength Division Multiplexing)光網絡不僅可W滿足對傳輸容量的需求，而且具有天然的利用波 長來選擇路由的優勢。在WDM網絡中，客戶層業務W光波長的形式在光網絡中傳輸，在光域 上交叉連接和分插復用。信道與波長對應，利用波長選路來實現網絡路由和交換，實現客戶 端到端動態連接。因此，如何對光網絡中的波長信號進行傳輸、控制和交換成為亟待解決的 問題。特別是其中的全光波長轉換技術，它是解決波長競爭、實現波長再利用的關鍵技術， 故已成為全光通信網中的研究熱點之一。
[0003] 在眾多波長轉換方案中，基于準相位匹配(QPM:如asi-Phase Matching)技術的波 長轉換器具有效率高、轉換速度快、無附加噪聲和調嗽、全透明等諸多獨特的技術優勢，使 之成為近些年光波長轉換的主要研究方向。早期的基于QPM技術的波長轉換器大都采用均 勻周期結構QPM晶體W及"差頻(DFG:Difference Rrequency Generation)"效應來實現，轉 換帶寬只有幾十納米。此外由于QPM晶體只能支持1.5μπι波段的TMoo模，因此造成采用DFG效 應時，處于780nm波段的累浦光入射到晶體里會激發出許多高階模，損失很多累浦光功率。 為了解決運個問題，人們在DFG過程之前級聯了另外一個二階非線性過程：倍頻（SHG: Second 化rmonic Generation)過程或和頻（SFG: Sum Frequency Generation)過程，使得 所需的累浦光和信號光都處于1.5μπι波段，相應的級聯二階非線性過程被稱為級聯SHG+DFG 和級聯SFG+DFG。在運兩種級聯二階非線性過程中，根據倍頻光或和頻光在晶體中的傳輸次 數不同，又分為"單通"和"雙通"兩種構型。其中"單通"構型中，倍頻光或和頻光沿著晶體正 向傳輸一次，而"雙通"構型中，倍頻光或和頻光沿著晶體正向和反向各傳輸一次。
[0004] 雖然級聯二階非線性效應解決了早期基于DFG效應時所面臨的累浦光不處于光通 信波段的問題，但轉換帶寬依然有限。特別是對于WDM系統中的多信道波長轉換(寬帶轉換） 而言，其希望轉換帶寬要大且轉換效率曲線相對要平坦。有學者研究表明，采用非均勻的極 化周期結構可W有效地擴展轉換帶寬，提高累浦穩定性。清華大學的張漢一、郭奕理研究組 利用分段結構QPM晶體對直接基于DFG效應的波長轉換方案進行了理論分析，得到了超過 130nm的轉換帶寬，但是他們的研究仍是針對DFG效應，且轉換效率曲線的平坦性相對較差。 清華大學的楊昌喜研究組對具有寬帶、平坦轉換效率曲線的QPM晶體結構進行了研究，設計 了一種用于QPM波長轉換的正弦調嗽超晶格（SCOSs : Sinusoidally Chi;rped Optical Super lattices)結構，得到了 14化m的轉換帶寬，轉換效率曲線也十分平坦，但所得轉換帶 寬相對而言仍不是很大。Tehranchi等人提出了一種階梯調嗽光柵（SCG: step畑irped Grating)結構，并利用運種結構獲得了良好的平坦特性，但轉換帶寬擴展效果卻不明顯，只 有約90nm。
[0005] 從上述研究成果可W看出，基于QPM技術的波長轉換方案的可行性和有效性毋庸 置疑，但還存在著一些不足:對于WDM光纖通信系統，希望獲得盡可能大的轉換帶寬W覆蓋 多個光纖通信窗口，同時轉換效率曲線也應盡量平坦。雖然已報道的非均勻QPM結構在擴展 轉換帶寬或者提高轉換效率的平坦性方面取得了一定的效果，但綜合而言它們還存在著帶 寬擴展不足，或者平坦性有待提高的問題。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于針對現有技術之弊端，提供一種基于貝塞爾調嗽光柵結構的全 光波長轉換器的設計方法，在獲得平坦的波長轉換效率的同時，擴展波長轉換帶寬。
[0007] 本發明所述問題是W下述技術方案解決的：
[0008] -種基于貝塞爾調嗽光柵結構的全光波長轉換器的設計方法，所述方法首先給出 極化周期按照貝塞爾函數進行變化的周期極化妮酸裡（P化N :Pe;riodically Poled Lithium Niobate)晶體模型，然后在給定基于單通構型級聯甜G+DFG效應的全光波長轉換 方案的約束條件后，尋找滿足此約束條件時貝塞爾調嗽光柵結構PPLN晶體模型的結構優化 設計參數，最后利用運些設計參數確定全光波長轉換器的結構。
[0009] 上述基于貝塞爾調嗽光柵結構的全光波長轉換器的設計方法，具體步驟為：
[0010] a.給出基于單通構型級聯S服+DFG效應的貝塞爾調嗽光柵結構PPLN晶體的模型： [00川晶體總長度為L，x軸的正方向為光在PPLN晶體中的傳播方向，沿著光的傳 播方向，P化N晶體的極化周期Λ按照公式（1)進行變化，其中Λο為倍頻過程完全相位匹配 時均勻周期光柵結構PPLN晶體的極化周期，Jv是第一類貝塞爾函數，下標V代表貝塞爾函數 的階數，丫，τ和ξ為定義的PPLN晶體的Ξ個結構設計參數，其中參數丫用來控制PPLN晶體極 化周期沿貝塞爾曲線縱軸方向的尺度，參數τ用來控制PPLN晶體極化周期沿貝塞爾曲線橫 軸方向的振蕩周期，參數ξ用來控制PPLN晶體極化周期沿貝塞爾曲線橫軸方向的起點；
[0012]
(1)
[0013] b.給定波長轉換特性的約束條件，設置初始條件，在某一確定晶體長度下尋找滿 足此約束條件時PPLN晶體的結構參數：
[0014] ①波長轉換特性的約束條件包括:最高轉換效率、平坦度（即最大轉換效率-3-地 帶寬范圍內的平均轉換效率）；初始條件包括:累浦光初始功率、波長、信號光功率及波長變 化范圍、倍頻與差頻過程的有效相互作用面積、貝塞爾函數的階數、工作溫度W及PPLN晶體 的有效非線性極化系數；
[0015] ②利用龍格-庫塔法對基于細G+DFG效應的全光波長轉換過程的禪合波方程進行 求解，得到滿足約束條件時PPLN晶體的結構設計參數丫，τ和ξ，基于SHG+DFG效應的全光波 長轉換過程的禪合波方程如公式(2)-(5)所示：
[0020] 其中E代表光波的場分布，E的下標s、c、p和甜分別代表信號光、轉換光、累浦光和 倍頻光;KSHG和KDFG是倍頻過程和差頻過程的非線性禪合常數；ω 1 α =P，S，C或甜)是光波的 角頻率；Δ Oshg(x)和Δ Odfg(x)是倍頻過程和差頻過程的相位失配因子；
[0021 ] C.改變PPLN晶體長度，確定不同長度時PPLN晶體的結構設計參數丫，τ和ξ;
[0022] d.利用所得的結構設計參數，確定PPLN晶體的結構，從而得到基于貝塞爾調嗽光 柵結構的全光波長轉換器的結構。
[0023] 本發明在全光波長轉換器的設計過程中綜合考慮了轉換帶寬、轉換效率W及轉換 效率曲線的平坦性Ξ種波長轉換特性，不僅可使設計出的波長轉換器具有平坦的波長轉換 效率，而且可W極大地擴展波長轉換帶寬。
【附圖說明】
[0024] 圖1是基于單通級聯細G+DFG效應的全光波長轉換器中貝塞爾調嗽光柵結構PPLN 晶體的模型；
[0025] 圖2是基于單通級聯SHG+DFG效應和貝塞爾調嗽光柵結構PPLN晶體的全光波長轉 換器的轉換效率隨信號光波長的變化關系曲線；
[0026] 圖3是波長轉換器的轉換帶寬隨PPLN晶體長度的變化關系曲線；
[0027] 圖4是波長轉換器的平坦性隨PPLN晶體長度的變化關系曲線。
[0028] 文中和圖中所用符號為:L為PPLN晶體總長度，Λ為PPLN晶體的極化周期，Λ 0為倍 頻過程完全相位匹配時均勻周期光柵結構PPLN晶體的極化周期，丫，τ和ξ為PPLN晶體的結 構設計參數，Jv是第一類貝塞爾函數，V代表貝塞爾函數的階數，E代表光波的場分布，E的下 標S、C、p和甜分別代表信號光、轉換光、累浦光和倍頻光，KSHG和KDFG是倍頻過程和差頻過程 的非線性禪合常數；"i(i=p，s，c或甜)是光波的角頻率；Δ OsHG(x)和Δ Odfg(x)是倍頻過 程和差頻過程的相位失配因子。
【具體實施方式】
[0029] 下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0030] 本發明提供的基于貝塞爾調嗽光柵結構的全光波長轉換器的設計方法，在保持平 坦的波長轉換效率同時，極大地擴展了波長轉換帶寬。
[0031] 本發明技術方案的基本思路是：
[0032] (1)給出基于單通構型級聯甜G+DFG效應的全光波長轉換方案的貝塞爾調嗽光柵 結構PPLN晶體的模型。（2)給定波長轉換特性的約束條件，在某一確定晶體長度下尋找滿足 此約束條件時的結構參數。（3)變化晶體長度，重復尋找每個晶體長度下符合約束條件的結 構參數。（4)根據所得的結構參數確定PPLN晶體的結構，得到基于貝塞爾調嗽光柵結構的全 光波長轉換器的波長轉換特性。
[0033] 本發明具體步驟的詳細描述如下：
[0034] 第1步，給出基于單通構型級聯SHG+DFG效應的貝塞爾調嗽光柵結構PPLN晶體的模 型。
[0035] 圖1為基于單通級聯SHG+DFG效應的全光波長轉換器中貝塞爾調嗽光柵結構PPLN 晶體的模型。圖中E代表光波的場分布，其下標s、c、p和SH分別代表信號光、轉換光、累浦光 和倍頻光。PPLN晶體總長度為L，沿著光的傳播方向（X軸正向），晶體的極化周期Λ按照公式 (1)所示進行變化。其中Αο為倍頻過程完全相位匹配時均勻周期光柵結構PPLN晶體的極化 周期，Jv是第一類貝塞爾函數，下標V代表貝塞爾函數的階數，丫，τ和ξ為定義的PPLN晶體的 Ξ個結構設計參數，其中參數丫用來控制PPLN晶體極化周期沿貝塞爾曲線縱軸方向的尺 度，參數τ用來控制PPLN晶體極化周期沿貝塞爾曲線橫軸方向的振蕩周期，參數ξ用來控制 PPLN晶體極化周期沿貝塞爾曲線橫軸方向的起點。通過合理優化設計晶體的極化周期Λ即 可有效的對波長轉換器的轉換帶寬進行擴展。
[0036] 第2步，給定波長轉換特性的約束條件，設置初始條件，在某一確定晶體長度下尋 找滿足此約束條件時的結構參數。
[0037] (1)給定波長轉換特性的約束條件:最高轉換效率〉-17地、平坦度含0.7dB(即最大 轉換效率-3-地帶寬范圍內的平均轉換效率< 0.7dB)，W獲得盡可能寬且平坦的波長轉換 效率曲線。設置初始條件:選取累浦光初始功率為150mW的連續光，波長設定在1.55μπι，信號 光波長在1450nm-1670nm范圍內連續變化，功率為ImW。倍頻與差頻過程的有效相互作用面 積相等，Ssh = Sdf S 46.5μπι2。貝塞爾函數的階數v = 0，工作溫度為150°C dPPLN晶體的有效非 線性極化系數def f = 17.2pm/V。
[0038] (2)在確定晶體長度L = 3cm下，利用龍格-庫塔法對基于SHG+DFG效應的全光波長 轉換過程的禪合波方程進行求解，得到滿足約束條件時PPLN晶體的結構設計參數γ，τ和ξ。
[0039] 第3步，改變PPLN晶體長度，確定不同長度時PPLN晶體的結構設計參數丫，τ和ξ。
[0040] 改變PPLN晶體的長度，在不同長度時重復第2步的過程，找到不同長度PPLN晶體時 的結構設計參數丫，τ和ξ。
[0041] 第4步，利用所得的結構設計參數，得到基于貝塞爾調嗽光柵結構的全光波長轉換 器的波長轉換特性。
[0042] 將第3步得到的不同長度PPLN晶體時的結構設計參數丫，τ和ξ帶入公式（1)，得到 不同長度時PPLN晶體的極化周期，隨后利用運些極化周期分別計算獲得不同晶體長度下波 長轉換器的轉換帶寬和轉換效率曲線的平坦度。
[0043] 為了更好地理解本發明的技術方案，下面結合計算實例對本發明作進一步的說 明。
[0044] 計算實例：
[0045] 1.采用如圖1所示的貝塞爾調嗽光柵結構PPLN晶體，設PPLN晶體總長度為L，L = 3cm。利用公式（1)得到滿足約束條件時的轉換效率隨信號光波長的變化關系曲線，如圖2所 /J、- 〇
[0046] 2.在lcm-5cm范圍內改變PPLN晶體的長度，變化間隔為0.5cm。計算得到不同晶體 長度時的結構設計參數丫，τ和ξ，如表1所示。
[0047] 表1:不同晶體長度時波長轉換器的結構設計參數 [004引
[0049] 3.利用表1所示結構設計參數，計算得到波長轉換器的轉換帶寬和轉換效率曲線 的平坦度隨PPLN晶體長度的變化關系曲線，分別如圖3和4所示。從圖3中可W直接看出，3- 地轉換帶寬均在140nmW上；同時從圖4中也可W看出，平坦度都在0.71地W下浮動，屬于超 寬且平坦的波長轉換效率，符合設定目標要求。
【主權項】
1. 一種基于貝塞爾啁嗽光柵結構的全光波長轉換器的設計方法，其特征是，所述方法 首先給出極化周期按照貝塞爾函數進行變化的周期極化鈮酸鋰晶體模型，然后在給定基于 單通構型級聯SHG+DFG效應的全光波長轉換方案的約束條件后，尋找滿足此約束條件時貝 塞爾啁嗽光柵結構PPLN晶體模型的結構優化設計參數，最后利用這些設計參數確定全光波 長轉換器的結構。2. 根據權利要求1所述的基于貝塞爾啁嗽光柵結構的全光波長轉換器的設計方法，其 特征是，具體步驟為： a. 給出基于單通構型級聯SHG+DFG效應的貝塞爾啁嗽光柵結構PPLN晶體的模型： 設PPLN晶體總長度為L，X軸的正方向為光在PPLN晶體中的傳播方向，沿著光的傳播方 向，PPLN晶體的極化周期Λ按照公式（1)進行變化，其中Λ〇為倍頻過程完全相位匹配時均 勻周期光柵結構PPLN晶體的極化周期，J v是第一類貝塞爾函數，下標ν代表貝塞爾函數的階 數，γ，τ和ξ為定義的PPLN晶體的三個結構設計參數，其中參數γ用來控制PPLN晶體極化周 期沿貝塞爾曲線縱軸方向的尺度，參數τ用來控制PPLN晶體極化周期沿貝塞爾曲線橫軸方 向的振蕩周期，參數ξ用來控制PPLN晶體極化周期沿貝塞爾曲線橫軸方向的起點；b. 給定波長轉換特性的約束條件，設置初始條件，在某一確定晶體長度下尋找滿足此 約束條件時PPLN晶體的結構參數： ① 波長轉換特性的約束條件包括:最高轉換效率、平坦度（即最大轉換效率-3-dB帶寬 范圍內的平均轉換效率）；初始條件包括:栗浦光初始功率、波長、信號光功率及波長變化范 圍、倍頻與差頻過程的有效相互作用面積、貝塞爾函數的階數、工作溫度以及PPLN晶體的有 效非線性極化系數； ② 利用龍格-庫塔法對基于SHG+DFG效應的全光波長轉換過程的耦合波方程進行求解， 得到滿足約束條件時PPLN晶體的結構設計參數γ，τ和ξ;基于SHG+DFG效應的全光波長轉換 過程的耦合波方程如公式(2)-(5)所示：其中E代表光波的場分布，E的下標s、c、p和SH分別代表信號光、轉換光、栗浦光和倍頻 光;!CSHG和!CDFG是倍頻過程和差頻過程的非線性耦合常數；ω i =P，S，C或SH)是光波的角頻 率；A (&SHC(X)和Δ Φ·(χ)是倍頻過程和差頻過程的相位失配因子； C.改變PPLN晶體長度，確定不同長度時PPLN晶體的結構設計參數γ，τ和ξ; d.利用所得的結構設計參數，確定PPLN晶體的結構，從而得到基于貝塞爾啁嗽光柵結 構的全光波長轉換器的結構。
【文檔編號】G02F1/355GK105824164SQ201610242983
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】劉濤, 宋澤坤, 陳影
【申請人】華北電力大學（保定）