集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)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(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)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(hào)光同時(shí)入射到集成平面波導(dǎo)中發(fā)生四波混頻效應(yīng)，調(diào)節(jié)泵浦光的偏振方向與集成波導(dǎo)的主軸成特定泵浦光偏振角度，使得集成平面波導(dǎo)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(zhuǎn)換效率不隨信號(hào)光的偏振態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)偏振不敏感的全光波長轉(zhuǎn)換，可為下一代的全光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理提供參考。
【專利說明】集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)換的方法及裝置

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

【背景技術(shù)】
[0002]隨著光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，光通信網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)傳輸，在交換節(jié)點(diǎn)處采用全光信號(hào)處理技術(shù)直接在光域進(jìn)行處理成為一項(xiàng)重要選擇。在波長路由網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)信道都是用特定波長標(biāo)識(shí)的，不同波長代表不同信道。為了避免網(wǎng)絡(luò)阻塞，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換是必不可少的。另外，隨著集成光電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用集成平面波導(dǎo)研制各類光通信器件從而大大減小通信節(jié)點(diǎn)的體積成為一個(gè)重要趨勢(shì)。因而，發(fā)展集成型波長轉(zhuǎn)換器件對(duì)于下一代光通信網(wǎng)絡(luò)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]實(shí)現(xiàn)全光波長轉(zhuǎn)換的典型方法是利用非線性介質(zhì)中的四波混頻效應(yīng)，通過信號(hào)光和泵浦光的相互作用，產(chǎn)生新頻率的閑頻光作為轉(zhuǎn)換光信號(hào)。近年來，多種集成波導(dǎo)材料顯示出了良好的非線性特性，如硅、II1-V族半導(dǎo)體等。利用其中的四波混頻過程即可實(shí)現(xiàn)集成型全光波長轉(zhuǎn)換。但是，四波混頻過程從原理上是偏振敏感的，轉(zhuǎn)換效率隨信號(hào)光的偏振態(tài)的變化而變化，這給器件的實(shí)用性帶來了很多不便。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)換的方法及裝置，用集成平面波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)換。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]—、一種集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)換的方法:
[0007]將線偏振泵浦光和信號(hào)光同時(shí)入射到集成平面波導(dǎo)中發(fā)生四波混頻效應(yīng)，調(diào)節(jié)泵浦光的偏振方向與集成波導(dǎo)的主軸成泵浦光偏振角度θ p，使得集成平面波導(dǎo)的TE主軸和TM主軸上的四波混頻效率保持一致，實(shí)現(xiàn)偏振不敏感的全光波長轉(zhuǎn)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(dǎo)TE主軸上的相位失配量，K ?為集成平面波導(dǎo)TM主軸上的相位失配量，Y TE為TE主軸上的非線性系數(shù)，Y TM為TM主軸上的非線性系數(shù)，α ρ_ΤΕ為TE主軸上的泵浦光損耗系數(shù)，α ρ_ΤΜ為TM主軸上的泵浦光損耗系數(shù)，a c_TE為TE主軸上的轉(zhuǎn)換光損耗系數(shù)，α。-ΤΜ為TM主軸上的轉(zhuǎn)換光損耗系數(shù)，Cte為TE主軸上的相對(duì)耦合效率，Ctm為TM主軸上的相對(duì)耦合效率，j為虛數(shù)單位，L為集成平面波導(dǎo)長度。
[0011]二、一種集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)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(diào)制器、波分復(fù)用器、集成平面波導(dǎo)、接收端模塊、相位編碼信號(hào)解調(diào)器、光電探測(cè)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(jīng)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(jīng)第一濾波器連接到波分復(fù)用器的第一輸入端；第二連續(xù)光激光器發(fā)出信號(hào)光經(jīng)第二偏振控制器偏振調(diào)節(jié)后輸入到電光調(diào)制器中，信號(hào)源與電光調(diào)制器連接，電光調(diào)制器輸出端依次經(jīng)第二光放大器、第二濾波器后連接到波分復(fù)用器的第二輸入端，波分復(fù)用器輸出端輸出的泵浦光和信號(hào)光同時(shí)入射到集成平面波導(dǎo)中發(fā)生四波混頻，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光，集成平面波導(dǎo)的輸出端經(jīng)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(cè)器。
[0014]所述的接收端模塊包括相位編碼信號(hào)解調(diào)器和光電探測(cè)器，集成平面波導(dǎo)的輸出端經(jīng)第三濾波器后再經(jīng)相位編碼信號(hào)解調(diào)器解調(diào)后與光電探測(cè)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(hào)光發(fā)生四波混頻效應(yīng)，使得集成平面波導(dǎo)的TE和TM兩個(gè)主軸方向上的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到一致，從而保證輸出的轉(zhuǎn)換效率不隨信號(hào)光的偏振態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)偏振不敏感波長轉(zhuǎn)換的功能。
[0017]本發(fā)明可為下一代的全光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信號(hào)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(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明裝置的一種接收端模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖4為本發(fā)明裝置的另一種接收端模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中泵浦光偏振角度隨波長的變化關(guān)系。
[0023]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中轉(zhuǎn)換效率隨信號(hào)光偏振態(tài)的變化關(guān)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(diào)制器，6為信號(hào)源，7為波分復(fù)用器，8為集成平面波導(dǎo)，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(cè)器，16為相位編碼信號(hào)解調(diào)器。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明轉(zhuǎn)換方法包括:將線偏振泵浦光和信號(hào)光同時(shí)入射到集成平面波導(dǎo)中發(fā)生四波混頻效應(yīng)，調(diào)節(jié)泵浦光的偏振方向與集成波導(dǎo)的主軸成特定的泵浦光偏振角度θ p，使得集成平面波導(dǎo)的TE主軸和TM主軸上的四波混頻效率保持一致，實(shí)現(xiàn)偏振不敏感的全光波長轉(zhuǎn)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(dǎo)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(shù)，Y TM為TM主軸上的非線性系數(shù)，α ρ_ΤΕ為TE主軸上的泵浦光損耗系數(shù)，α ρ_ΤΜ為TM主軸上的泵浦光損耗系數(shù)，a c_TE為TE主軸上的轉(zhuǎn)換光損耗系數(shù)，a c_TM為TM主軸上的轉(zhuǎn)換光損耗系數(shù)，Cte為TE主軸上的相對(duì)耦合效率，Ctm為TM主軸上的相對(duì)耦合效率，j為虛數(shù)單位，L為集成平面波導(dǎo)長度。
[0030]本發(fā)明提出的集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)換的方法可以用圖1所示的原理示意圖加以描述。當(dāng)線偏振泵浦光入射到集成平面波導(dǎo)中時(shí)，泵浦光可以按照TE和TM兩主軸模式分解，同樣，信號(hào)光也可以分解到這兩個(gè)主軸上。根據(jù)四波混頻理論，只有同偏振的分量之間才會(huì)發(fā)生四波混頻效應(yīng)得到轉(zhuǎn)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(gè)偏振方向上分別發(fā)生，兩個(gè)方向上的效率由波導(dǎo)的特性參數(shù)以及泵浦光的偏振角度決定。
[0031]如圖2所示，本發(fā)明的轉(zhuǎn)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(diào)制器5、信號(hào)源6、波分復(fù)用器7、集成平面波導(dǎo)8、接收端模塊10、相位編碼信號(hào)解調(diào)器16、光電探測(cè)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(hào)源6和電光調(diào)制器5組成信號(hào)光鏈路。
[0033]第一連續(xù)光激光器I發(fā)出泵浦光經(jīng)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(jīng)第一濾波器4連接到波分復(fù)用器7的第一輸入端；第二連續(xù)光激光器11發(fā)出信號(hào)光經(jīng)第二偏振控制器12偏振調(diào)節(jié)后輸入到電光調(diào)制器5中，信號(hào)源6與電光調(diào)制器5連接，電光調(diào)制器5由信號(hào)源6發(fā)出的編碼信號(hào)控制，電光調(diào)制器5輸出端依次經(jīng)第二光放大器13、第二濾波器14后連接到波分復(fù)用器7的第二輸入端，泵浦光和信號(hào)光通過波分復(fù)用器7同時(shí)接入到集成平面波導(dǎo)8中發(fā)生四波混頻，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光，集成平面波導(dǎo)8的輸出端經(jīng)第三濾波器9與接收端模塊10連接。
[0034]如圖3所示，當(dāng)信號(hào)源6發(fā)出強(qiáng)度編碼信號(hào)時(shí)，所述的接收端模塊10采用光電探測(cè)器15，集成平面波導(dǎo)8的輸出端經(jīng)第三濾波器9后與光電探測(cè)器15連接。
[0035]如圖4所示，當(dāng)信號(hào)源6發(fā)出相位編碼信號(hào)時(shí)，所述的接收端模塊10包括相位編碼信號(hào)解調(diào)器16和光電探測(cè)器15，集成平面波導(dǎo)8的輸出端經(jīng)第三濾波器9后再經(jīng)相位編碼信號(hào)解調(diào)器16解調(diào)后與光電探測(cè)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(diào)制器、偏振控制器、光放大器、濾波器、解調(diào)器、光電探測(cè)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(diào)節(jié)其偏振角度，經(jīng)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(hào)光由第二連續(xù)激光器11提供，信號(hào)經(jīng)過電光調(diào)制器5加載，經(jīng)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(fù)用器7合并后入射到集成平面波導(dǎo)8中發(fā)生四波混頻，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光，通過第三濾波器9濾出轉(zhuǎn)換光，進(jìn)行信號(hào)接收。
[0038]對(duì)于接收端模塊，如圖3，接收端僅有一個(gè)光電探測(cè)器15，用于強(qiáng)度編碼信號(hào)的接收檢測(cè)；如圖4中，接收端由相位碼解調(diào)器16和光電探測(cè)器15構(gòu)成，用于相位編碼信號(hào)的接收檢測(cè)。選擇哪種接收端取決于信號(hào)源6發(fā)出的信號(hào)編碼類型。
[0039]將泵浦光的偏振角度調(diào)節(jié)到上述公式中所計(jì)算出的數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)換。
[0040]實(shí)施例1:
[0041]以截面高寬尺寸為300nmX500nm的條形娃基集成平面波導(dǎo)為例，通過計(jì)算可得TE 和 TM 主軸上的有效模場(chǎng)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(shè)TM主軸的相對(duì)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(shù)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(shù)為n2 =9X 10_18m2/W，波導(dǎo)長度為L = 0.8cm。在這些參數(shù)條件下，假設(shè)入射泵浦光功率為10mW,波長為1550nm，計(jì)算所得的泵浦光偏振角度隨信號(hào)光波長的變化關(guān)系如圖4所示。盡管所需的泵浦光偏振角度因信號(hào)光波長而異，但在很寬的信號(hào)光波長范圍內(nèi)變化十分微小，可以當(dāng)作常數(shù)看待。從1530nm到1570nm，所需的泵浦光偏振角度可由這一范圍內(nèi)平均值代替，即為 28.844。。
[0042]按照實(shí)施例所確定的泵浦光偏振角度，假設(shè)信號(hào)光功率為lmW，轉(zhuǎn)換效率隨信號(hào)光偏振態(tài)的變化關(guān)系如圖5所示。不失一般性，信號(hào)光的偏振角度在O到90°范圍內(nèi)變化。圖5中計(jì)算了多個(gè)信號(hào)光波長的轉(zhuǎn)換情況，可以看出他們的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率隨信號(hào)光偏振態(tài)的波動(dòng)都非常輕微。例如，波長為1541.66nm的信號(hào)光轉(zhuǎn)換效率沒有波動(dòng)；波長為1560nm的信號(hào)光轉(zhuǎn)換效率僅波動(dòng)0.002dB ;即便對(duì)于遠(yuǎn)離泵浦光25nm的波長為1575nm的信號(hào)光，其轉(zhuǎn)換效率波動(dòng)也只有0.398dB,因此實(shí)施例結(jié)果驗(yàn)證了本發(fā)明波長轉(zhuǎn)換方法的偏振不敏感性，本發(fā)明具有顯著的技術(shù)效果。
【權(quán)利要求】
1.一種集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)換的方法，其特征在于:將線偏振泵浦光和信號(hào)光同時(shí)入射到集成平面波導(dǎo)中發(fā)生四波混頻效應(yīng)，調(diào)節(jié)泵浦光的偏振方向與集成波導(dǎo)的主軸成泵浦光偏振角度θ p，使得集成平面波導(dǎo)的TE主軸和TM主軸上的四波混頻效率保持一致，實(shí)現(xiàn)偏振不敏感的全光波長轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)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(dǎo)TE主軸上的相位失配量，K ?為集成平面波導(dǎo)TM王軸上的相位失配量，Y TE為TE主軸上的非線性系數(shù)，Y TM為TM主軸上的非線性系數(shù)，a p_TE為TE主軸上的泵浦光損耗系數(shù)，a P-?為TM主軸上的泵浦光損耗系數(shù)，a c_TE為TE主軸上的轉(zhuǎn)換光損耗系數(shù)，a c_TM為TM主軸上的轉(zhuǎn)換光損耗系數(shù)，Cte為TE主軸上的相對(duì)耦合效率，Ctm為TM主軸上的相對(duì)耦合效率，j為虛數(shù)單位，L為集成平面波導(dǎo)長度。
3.用于實(shí)施權(quán)利要求1?2所述方法的一種集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)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(diào)制器(5)、波分復(fù)用器(7)、集成平面波導(dǎo)(8)、接收端模塊(10)、相位編碼信號(hào)解調(diào)器(16)、光電探測(cè)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(jīng)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(jīng)第一濾波器(4)連接到波分復(fù)用器(7)的第一輸入端；第二連續(xù)光激光器(11)發(fā)出信號(hào)光經(jīng)第二偏振控制器(12)偏振調(diào)節(jié)后輸入到電光調(diào)制器(5)中，信號(hào)源(6)與電光調(diào)制器(5)連接，電光調(diào)制器(5)輸出端依次經(jīng)第二光放大器(13)、第二濾波器(14)后連接到波分復(fù)用器(7)的第二輸入端，波分復(fù)用器(7)輸出端輸出的泵浦光和信號(hào)光同時(shí)入射到集成平面波導(dǎo)(8)中發(fā)生四波混頻，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換光，集成平面波導(dǎo)(8)的輸出端經(jīng)第三濾波器(9)與接收端模塊(10)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)換的裝置，其特征在于:所述的接收端模塊(10)采用光電探測(cè)器(15)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種集成平面波導(dǎo)型偏振不敏感全光波長轉(zhuǎn)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(hào)解調(diào)器(16)和光電探測(cè)器(15)，集成平面波導(dǎo)(8)的輸出端經(jīng)第三濾波器(9)后再經(jīng)相位編碼信號(hào)解調(diào)器(16)解調(diào)后與光電探測(cè)器(15)連接。
【文檔編號(hào)】G02F2/00GK104252084SQ201410476522
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】高士明, 陸佳美, 王曉燕 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)