波長變換論文：光通訊波長變換探究

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本文作者：夏林中管明祥作者單位：深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信學(xué)院

基于PPMgLN晶體的波長轉(zhuǎn)換技術(shù)

LiNbO3是典型的負(fù)單軸晶體，其透光波段為330～5500nm，基本覆蓋了所有光通信波段[8]。目前，基于LiNbO3晶體的高效頻率轉(zhuǎn)換主要有兩種相位匹配方式，即準(zhǔn)相位匹配（QPM）和雙折射相位匹配（BPM）[9]。利用周期極化摻氧化鎂的LiNbO3（PPMgLN）晶體實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配，其實(shí)質(zhì)是對(duì)LiNbO3等鐵電材料的自發(fā)極化方向進(jìn)行周期性調(diào)制，以補(bǔ)償相位失配，從而在整個(gè)PPMgLN晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的光學(xué)頻率變換。由于極化周期與材料的內(nèi)在特性無關(guān)，因此與BPM技術(shù)相比,QPM技術(shù)沒有波矢方向和偏振方向的限制；沒有雙折射效應(yīng)的晶體也可以實(shí)現(xiàn)QPM；理論上QPM能夠利用晶體的整個(gè)透光范圍；此外，QPM過程也不再要求垂直偏振光束,所以能夠利用大的非線性系數(shù)，其非線性光學(xué)頻率變換的轉(zhuǎn)換效率較BPM有顯著提高[10]。因此，在全光通信波長轉(zhuǎn)換時(shí)，選用準(zhǔn)相位匹配方式。準(zhǔn)相位匹配方式也分兩種類型，即O型（eee型）準(zhǔn)相位匹配和I型（ooe型）準(zhǔn)相位匹配。O型準(zhǔn)相位匹配泵浦帶寬非常窄，通常只能容下一個(gè)泵浦光頻率，且其最大非線性系數(shù)為d33(25.3pm/v)；I型準(zhǔn)相位匹配泵浦帶寬較寬，且其最大非線性系數(shù)為d31(4.6pm/v)[11]。如果選用O型準(zhǔn)相位匹配，則頻率轉(zhuǎn)換效率很高，但泵浦帶寬很窄；如果選用I型準(zhǔn)相位匹配，則頻率轉(zhuǎn)換效率較低，但泵浦帶寬很寬，為此可根據(jù)需要選取O型準(zhǔn)相位匹配或I型準(zhǔn)相位匹配。在PPMgLN準(zhǔn)相位匹配參量過程中，三波應(yīng)滿足能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律[12]。

級(jí)聯(lián)二階倍頻差頻（cSHG/DFG）全光波長轉(zhuǎn)換

基于PPMgLN晶體在1.5μm波長附近的WDM區(qū)域?qū)崿F(xiàn)波長轉(zhuǎn)換可利用二階效應(yīng)以及二階級(jí)聯(lián)效應(yīng)。如果是利用二階效應(yīng)，一個(gè)強(qiáng)的泵浦光(0.78μm波段)與信號(hào)光(1.5μm波段)產(chǎn)生差頻效應(yīng)得到轉(zhuǎn)換光。圖1中Coupler為光耦合器，PC為偏振控制器，EDFA為摻鉺光纖放大器，Collimator為光準(zhǔn)直器，Lens為光聚焦透鏡，TC為晶體溫度控制器，OSA為光譜分析儀。在寬帶倍頻差頻全光通信波長轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)方案中，泵浦光和信號(hào)光從PPMgLN晶體的一端入射后沿著晶體的x軸方向傳輸，傳輸過程中泵浦光產(chǎn)生了倍頻光，倍頻光再與信號(hào)光差頻，最終產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光。在整個(gè)傳輸過程中，倍頻與差頻過程是同時(shí)作用的，最終產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換光可表示為。其轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。該種波長轉(zhuǎn)換機(jī)制也存在著一個(gè)問題，就是其泵浦光在通信波段，占據(jù)了一個(gè)可能的波長通道。為了解決這個(gè)問題，提出了級(jí)聯(lián)二階和頻差頻全光波長轉(zhuǎn)換機(jī)制。

級(jí)聯(lián)二階和頻差頻（cSFG/DFG）全光波長轉(zhuǎn)換

級(jí)聯(lián)二階和頻差頻全光波長轉(zhuǎn)換方式采用了兩個(gè)泵浦光，且泵浦光波長位于通信波段的兩側(cè)，避免了占用通信波段資源。其實(shí)驗(yàn)方案如圖3所示。在寬帶和頻差頻全光通信波長轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)方案中，泵浦光、和信號(hào)光從PPMgLN晶體的一端入射后沿著晶體的x軸方向傳輸，傳輸過程中泵浦光和和頻產(chǎn)生了，和頻光再與信號(hào)光差頻，最終產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光。在整個(gè)傳輸過程中，和頻與差頻過程是同時(shí)作用的，最終產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換光可表示為。其轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。目前，cSFG/DFG全光通信波長轉(zhuǎn)換方案應(yīng)用非常廣泛，其中比較成熟的應(yīng)用就是實(shí)現(xiàn)多波長廣播功能。

結(jié)論

經(jīng)過研究與分析，得出以PPMgLN晶體為二階非線性介質(zhì)和以I類QPM技術(shù)為基礎(chǔ)的級(jí)聯(lián)二階和頻差頻全光通信波長轉(zhuǎn)換器，具有低噪聲、波長調(diào)諧范圍寬和可以同時(shí)轉(zhuǎn)換多波長的特點(diǎn)，是對(duì)幅度、頻率和相位信息完全透明的方案，且可以實(shí)現(xiàn)廣播功能，為此其應(yīng)用前景將會(huì)非常廣闊。