專利名稱：一種基于二階非線性的全光信息交換方法
一種基于二階非線性的全光信息交換方法技術領域
本發(fā)明屬于光通信技術，涉及一種全光信息交換方法，特別是一種利用二階非線性參量衰減和波長轉換相結合的作用來實現調制格式透明的全光信息交換的方法。
背景技術：
21世紀是信息的時代。隨著人們對信息量與日俱增的迫切需求，高速、大容量、靈活的全光網絡將成為未來寬帶通信網發(fā)展的必然趨勢，與之相匹配的網絡節(jié)點處的高速全光信息處理顯得至關重要。全光信息處理在全光域內進行，可以避免傳統(tǒng)“光-電-光”信息處理電子瓶頸帶來的速率限制。目前對全光信息處理的研究正在受到國內外研究學者的廣泛關注，是美國、歐盟和日本政府基金計劃資助的重點。作為全光信息處理的關鍵技術， 全光波長轉換以及在此基礎上拓展的光邏輯、光開關和光交換等技術近年來得到了快速發(fā)展，從而有效推動了全光通信網的發(fā)展。例如，作為全光通信網的一個重要支撐技術，全光信息交換在光通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的交通樞紐作用。高速靈活的全光信息交換技術在某種程度上決定著全光通信網的發(fā)展。
傳統(tǒng)波長域光信息交換技術的實現方法比較復雜，通常需要多次使用多個波長轉換器。例如，如果需要交換兩個光波長(XS1，Xs2)所攜帶的數據信息，我們可以首先使用兩個光濾波器進行光波長分離，然后使用兩個波長轉換器分別進行兩次波長轉換 (Asi- As2, As2- Asi)來實現信息的交換(/Lsi e/LS2 )，在每個波長轉換器之后還需要使用額外的光濾波器將轉換光濾出(XS2，X S1)，最后再將兩個光波長合在一起，這個過程經歷多次光濾波和光波長轉換，需要使用兩個波長轉換器、四個光濾波器以及光耦合器等多個光學元器件，這大大增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。2002年日本Sumitomo Electric Industries的K. Uesaka和美國斯坦福大學K. K. -Y. Wong等曾提出利用高非線性色散位移光纖中的非簡并四波混頻三階非線性效應實現10 Gbit/s的波長交換，不過報道的波長交換僅針對二進制開關鍵控(OOK)信號，對于是否支持相位調制等先進高級調制格式未進行分析說明。在此實現方案中，由于受到光纖受激布里源散射(SBS)和拉曼放大的影響，一方面需要對參與的抽運光進行如相位調制等處理以抑制SBS，另一方面短波段和長波段的交換性能出現了明顯的差異。同時，三階非線性的交換效率也相對較低。鑒于此，為了順應全光信息交換新的發(fā)展需求，針對以往方案存在的不足之處，需要提出新的方案，以實現僅利用單個光學器件即可以實現高速且調制格式透明的全光信息交換。這些對于推動高速大容量且靈活的全光通信網的快速發(fā)展將具有實際的應用研究價值。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于二階非線性的全光信息交換方法，該方法僅僅利用單個光學器件，就可以在攜帶不同數據信息的兩個波長間實現全光信息交換。
本發(fā)明提供的一種基于二階非線性的全光信息交換方法，其特征在于，該方法包括下述步驟
第I步以具有二階非線性的單個光學器件作為實現全光信息交換的器件，找到該光學器件發(fā)生二階非線性所對應的準相位匹配波長，該準相位匹配波長近似選取為發(fā)生倍頻二階非線性效應對應的準相位匹配波長XQpM;
第2步依據輸入的第一、第二信號光的波長選擇與之相對應的第一、第二抽運光的波長，設第一、第二信號光的波長分別為XS1，X S2，第一、第二抽運光的波長分別為入pi、 Ap2，第一、第二抽運光的波長滿足關系式IMn = 2/Xqpm-I/Asi和1/XP2 = 2/Xqpm-I/
第3步將第一、第二抽運光經過光學放大和濾波后，與第一、第二信號光稱合在一起并進入所述具有二階非線性的光學器件；第一、第二抽運光與第一、第二信號光的偏振態(tài)通過偏振控制保持一致；
第4步在所述具有二階非線性的光學器件中，第一、第二信號光發(fā)生全光信息交換；
第5步在所述具有二階非線性的光學器件的輸出端，得到經過了信息交換后的兩個信號光。
本發(fā)明方法是基于二階非線性效應參量衰減和波長轉換相結合的作用機理，在攜帶不同數據信息的兩個波長間實現全光信息交換。具體而言，本發(fā)明具有以下技術效果
I.本發(fā)明所述的全光信息交換方法，相比于傳統(tǒng)采用兩個波長轉換器件的方案， 僅僅使用單個光學器件，方案簡單易實現。在單個光學器件選擇上可以靈活使用具有二階非線性的光波導，尺寸小易集成。
2.本發(fā)明所述的全光信息交換方法，相比于基于高非線性光纖非簡并四波混頻的方案，提供了另一種實現全光信息交換的新途徑，并且具有一些附加的優(yōu)勢①沒有受激布里源散射的影響，因此抽運光不必像高非線性光纖非簡并四波混頻方案中那樣增加如相位調制等額外的處理以抑制受激布里源散射效應；②沒有拉曼放大的影響，高非線性光纖非簡并四波混頻方案中，由于受到拉曼放大影響，信號光在短波段和長波段的交換性能存在顯著差異，基于二階非線性的全光信息交換不受拉曼放大影響，因此可以在短波段和長波段具有相同的交換性能；③高非線性光纖非簡并四波混頻屬于三階非線性效應，相比之下， 基于二階非線性的全光信息交換的效率比三階非線性要高。
3.本發(fā)明所述的全光信息交換方法，將二階非線性效應的參量衰減和波長轉換相結合，在全光信息交換過程中沒有引入額外的噪聲影響，且二階非線性效應響應速度超快， 調制格式透明，因此可以應用于高速且調制格式透明的全光信息交換，這很好的順應了未來高速大容量光通信的發(fā)展趨勢。
4.本發(fā)明所述的全光信息交換方法，具有寬帶可調諧的特點，通過靈活選擇抽運光的波長，即可以實現短波段兩信號光間的全光信息交換，也可以實現長波段兩信號光間的全光信息交換，還可以實現短波段信號光和長波段信號光間的全光信息交換，而且交換性能相近，這有利于在寬帶通信波段內實現靈活的全光交換功能。


圖I是實施例中所述的全光信息交換方法的示意圖2是OOK信號光的全光信息交換示意圖3是40-Gbit/s OOK信號光的全光信息交換實例；
圖4是40-Gbit/s差分二相相移鍵控(DPSK)信號光的全光信息交換實例；
圖5是80-Gbit/s差分四相相移鍵控(DQPSK)信號光的全光信息交換實例；
圖6是寬帶信號光的全光信息交換示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明所述的全光信息交換方法，選用具有二階非線性的單個光學器件，利用二階非線性效應參量衰減和波長轉換相結合的作用機理，可以在全光域內實現攜帶不同數據信息的波長間的信息交換功能，且信息交換對數據調制格式透明。在采用本發(fā)明所述的方法進行全光信息交換之前，需要根據二階非線性光學器件的準相位匹配波長選擇所需抽運光的波長，同時依據全光信息交換的發(fā)生條件給出所需的抽運光的光功率。
本發(fā)明提供了一種基于二階非線性的全光信息交換方法，包含以下步驟
(I)選取具有二階非線性的單個光學器件OD作為實現全光信息交換的器件，找到該光學器件OD發(fā)生二階非線性所對應的準相位匹配波長，該準相位匹配波長可以近似選取為發(fā)生倍頻二階非線性效應對應的準相位匹配波長入QPM。
(2)依據兩個輸入信號光SI、S2的波長(第一信號光SI的波長為\ S1、第二信號光S2波長為\ S2)選擇與之相對應的兩個抽運光PU P2的波長(第一抽運光Pl的波長為入P1、第二抽運光P2的波長為X P2),其中在頻率域第一抽運光Pl Opi = I/A P1)與第一信可光 SI (wsl = I/ X sl)關于 w QPM = I/ \ QPM 對稱,弟_■抽運光 P2 (w p2 = I/ A P2)與弟_.fp 號光S2 (coS2 = I/ A S2)關于oQPM = I/ A qpm對稱,亦即所選擇的兩個抽運光PI、P2的波長滿足關系式I/入P1 = 2/入QPM_1/入S1和I/入P2 = 2/入QPM_1/入S2。
(3)將兩個抽運光PI、P2經過光學放大和濾波后,與兩個信號光SI、S2稱合在一起并進入具有二階非線性的光學器件0D。兩個抽運光PU P2與兩個信號光SI、S2的偏振態(tài)通過偏振控制保持一致。
(4)在具有二階非線性的光學器件OD中，利用二階非線性效應參量衰減和波長轉換相結合的機理，第一信號光SI (cosl = I/ A S1)的光子和第一抽運光Pl (copi = I/ A pi)的光子通過和頻效應湮滅以產生和頻光(WSF = Osi+O pi = Ws2+O p2 = 2 coQPM)的光子,和頻光的光子同時通過差頻效應轉換為第二信號光S2( s2 = I/As2)的光子和第二抽運光 P2 (w P2 = I/ A P2)的光子,另外,第二信號光S2( coS2 = I/ A S2)的光子和第二抽運光P2( co P2 =I/ ^ P2)的光子也會通過和頻效應湮滅以生成和頻光(WSF= WS2+WP2 = wSI+wPl = 2 QpM)的光子，和頻光的光子同時通過差頻效應轉換為第一信號光SI ( S1 = I/ Asl)的光子和第一抽運光Pl ( P1 = I/A P1)的光子。通過調節(jié)兩個抽運光P1、P2的光功率，第一信號光SI原始攜帶的數據信息會被耗盡并復制給第二信號光S2，與此同時，第二信號光S2原始攜帶的數據信息也會被耗盡并復制給第一信號光SI。這樣，僅僅利用單個光學器件就實現了第一信號光SI和第二信號光S2間的全光信息交換。
(5)在具有二階非線性的光學器件OD的輸出端，得到經過了全光信息交換后的兩個信號光SI、S2。
進一步的，步驟(I)中可以是周期極化反轉鈮酸鋰(PPLN)光波導、砷化鎵(GaAs) 光波導、鋁鎵砷(AlGaAs)光波導等具有二階非線性的光學器件。6
進一步的，步驟(2)中兩個輸入信號光SI、S2不僅可以是傳統(tǒng)二進制開關鍵控 (OOK)調制信號，還可以是差分二相相移鍵控(DPSK)信號、差分四相相移鍵控(DQPSK) 信號、同時含有幅度和相位調制的多級正交幅度調制(QAM)信號以及正交頻分復用調制 (OFDM)信號等。兩個信號光SI、S2的波長可以同時在短波段，也可以同時在長波段，還可以一個在短波段另一個在長波段。對于這三種情況，只要相應調節(jié)兩個抽運光PU P2的波長以滿足關系式I/ X n = 2/ X QPM-1/ A S1和I/ X P2 = 2/ X QPM-1/ A S2,這樣就可以在寬帶范圍內實現兩個波長信號光間的全光信息交換。
進一步的，步驟(3)中可以采用摻鉺光纖放大器(EDFA)進行光學放大，在光學放大后使用帶通濾波器(BPF)進行濾波以抑制光學放大過程引入的放大自發(fā)輻射噪聲?？梢圆捎闷窨刂破?PC)調節(jié)兩個抽運光PU P2和兩個信號光SI、S2的偏振態(tài)以保持一致。
進一步的，步驟⑷中調節(jié)兩個抽運光PU P2的光功率使其滿足下述全光信息交換條件即可實現第一信號光SI和第二信號光S2間的調制格式透明的全光信息交換
Ppl (0) = Pp2 (0) = [(2N + 1)711L]2 I((OsiCOsf+ COs2COsfK-I), N = 0,1,2, 3.....
其中，Ppi (0)和Pp2 (0)是輸入第一抽運光Pl和輸入第二抽運光P2的光功率,L是具有~■階非線性的光學器件的長度，Wsi、和wSF= wSI+wPl= W W P2 = 2 w QPM是弟一信號光SI、第二信號光S2以及和頻光的角頻率，K j是第一信號光SI和第一抽運光Pl參與的二階非線性效應的耦合系數，K 2是第二信號光S2和第二抽運光P2參與的二階非線性效應的耦合系數，N取非負整數，對應給出滿足全光信息交換條件時兩抽運光P1、P2可取的光功率值，通常取N = O對應所需兩抽運光最小的光功率取值。
進一步的，步驟(5)中為了獲得經過了全光信息交換后的信號光S1、S2，可以使用帶通濾波器進行光學濾波得到兩信號光SI、S2，或者也可以使用帶阻濾波器實現對兩抽運光PU P2的濾除，如光纖布拉格光柵(FBG)等，從而得到兩信號光SI、S2。
下面結合具體實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的詳細說明。
實施例為利用單個光學器件二階非線性效應的參量衰減和波長轉換相結合的作用，實現針對40-Gbit/s 00K,40-Gbit/s DPSK和80-Gbit/s DQPSK等信號光的調制格式透明的高速全光信息交換。如圖I所示，基于二階非線性的全光信息交換方法包含以下步驟:
(I)選擇具有二階非線性的光學器件0D，其包含周期性疇反轉結構，如PPLN光波導、GaAs光波導和AlGaAs光波導等。根據疇反轉周期(A)給出發(fā)生二階非線性所對應的準相位匹配波長，通常可以近似選擇為發(fā)生倍頻二階非線性效應所對應的準相位匹配波長 (入QPM)，其滿足如下關系式nSH/入SH_2nQPM/入QPM-1/ A = 0,其中Xsh=入QPM/2為準相位匹配波長所對應的倍頻光的波長，nQPM和nSH分別為準相位匹配波長和倍頻光波長處的折射率。
(2)在確定二階非線性光學器件OD準相位匹配波長(Xqpm)基礎之上，依據第一信號光SI的波長(\ S1)和第二信號光S2的波長(\ S2)進一步確定所需第一抽運光Pl的波長(X P1)和第二抽運光P2的波長(X P2)。在頻率域,第一抽運光Pl ( P1 = I/ X P1)與第一 f曰可光 SI (w S1 = I/ A sl)關于 w QPM = I/ \ QPM 對稱，弟_■抽運光 P2 (w p2 = I/ A P2)與弟_. Ih 可光 S2 (w S2 = I/ X S2)關于 w QPM = I/ X QPM 對稱，即可以根據關系式 I/ X P1 = 2/ A QPj1-1/ 入S1和I/ X P2 = 2/ X QPM-1/ A S2分別確定所需第一抽運光Pl和第二抽運光P2的波長。
(3)使用光放大器(如EDFA)和濾波器(如BPF)分別對第一抽運光Pl和第二抽運光P2進行光學放大和濾波,使用偏振控制器調節(jié)第一抽運光P1、第二抽運光P2、第一信號光SI和第二信號光S2的偏振態(tài)以保持一致。將第一抽運光P1、第二抽運光P2、第一信號光SI和第二信號光S2 —起耦合進入具有二階非線性的光學器件OD中。
(4)調節(jié)第一抽運光Pl和第二抽運光P2的光功率以滿足全光信息交換條件。在具有二階非線性的光學器件OD中，基于二階非線性效應參量衰減和波長轉換相結合的作用機理，第一信號光SI原始攜帶的信息由于參量衰減會被消耗并通過波長轉換將其信息復制給第二信號光S2，第二信號光S2原始攜帶的信息由于參量衰減也會被消耗并通過波長轉換將其信息復制給第一信號光SI。于是，僅利用單個光學器件即可以實現第一信號光 SI和第二信號光S2間的全光信息交換。為了給出滿足全光信息交換條件的兩抽運光P1、 P2的光功率，我們對兩抽運光P1、P2和兩信號光S1、S2參與的二階非線性效應進行理論分析，考慮兩抽運光PU P2輸入光功率相同，忽略光學器件損耗，且在非耗盡近條件下，可以得到描述輸出和輸入第一信號光SI和第二信號光S2之間光場復振幅滿足的關系式,如下所示
權利要求
1.一種基于二階非線性的全光信息交換方法，其特征在于，該方法包括下述步驟第I步以具有二階非線性的單個光學器件作為實現全光信息交換的器件，找到該光學器件發(fā)生二階非線性所對應的準相位匹配波長，該準相位匹配波長近似選取為發(fā)生倍頻二階非線性效應對應的準相位匹配波長XQpM;第2步依據輸入的第一、第二信號光的波長選擇與之相對應的第一、第二抽運光的波長，設第一、第二信號光的波長分別為XS1、X S2，第一、第二抽運光的波長分別為Xpl、入p2， 第一、第二抽運光的波長滿足關系式I/入n = 2/入QPM-1/入S1和I/入p2 = 2/入QPM-1/入S2 ；第3步將第一、第二抽運光經過光學放大和濾波后，與第一、第二信號光耦合在一起并進入所述具有二階非線性的光學器件；第一、第二抽運光與第一、第二信號光的偏振態(tài)通過偏振控制保持一致；第4步在所述具有二階非線性的光學器件中，第一、第二信號光發(fā)生全光信息交換；第5步在所述具有二階非線性的光學器件的輸出端，得到經過了信息交換后的兩個信號光。
2.根據權利要求I所述的基于二階非線性的全光信息交換方法，其特征在于，第I步中，所述二階非線性的光學器件為周期極化反轉鈮酸鋰光波導、砷化鎵光波導或鋁鎵砷光波導等。
3.根據權利要求I或2所述的基于二階非線性的全光信息交換方法，其特征在于，第2 步中，所述輸入的第一、第二信號光為傳統(tǒng)二進制開關鍵控調制信號，或者為差分二相相移鍵控信號、差分四相相移鍵控信號、同時含有幅度和相位調制的多級正交幅度調制信號以及正交頻分復用調制信號等。
4.根據權利要求I或2所述的基于二階非線性的全光信息交換方法，其特征在于，第2 步中，第一、第二信號光的波長同時在短波段，或者同時在長波段，或者一個在短波段，另一個在長波段。
5.根據權利要求I或2所述的基于二階非線性的全光信息交換方法，其特征在于，第 3步中，采用摻鉺光纖放大器進行光學放大，在光學放大后使用帶通濾波器進行濾波以抑制光學放大過程引入的放大自發(fā)輻射噪聲。
6.根據權利要求4所述的基于二階非線性的全光信息交換方法，其特征在于，第3步中，采用偏振控制器調節(jié)兩個抽運光和兩個信號光的偏振態(tài)以保持一致。
7.根據權利要求I或2所述的基于二階非線性的全光信息交換方法，其特征在于，第4 步中，調節(jié)兩個抽運光的光功率使其滿足下述全光信息交換條件即能夠實現第一信號光和第二信號光間的調制格式透明的全光信息交換Ppi (0) = Pp2 (0) = [(2N + \)n / Lf /(COsiCOsfK^ + (O52COsfK22 )，TV = 0，1，2，3 … 其中，Pp1(O)和Pp2(O)分別是輸入第一抽運光和輸入第二抽運光的光功率，L是具有二階非線性的光學器件的長度，《31、《32和《SF分別是第一信號光、第二信號光以及和頻光的角頻率，K :是第一信號光和第一抽運光參與的二階非線性效應的耦合系數，！^是第二信號光和第二抽運光參與的二階非線性效應的耦合系數，N取非負整數，對應給出滿足全光信息交換條件時兩抽運光可取的光功率值。
8.根據權利要求7所述的基于二階非線性的全光信息交換方法，其特征在于，所述兩個抽運光的光功率通常取N = O對應所需兩抽運光最小的光功率取值。
9.根據權利要求I或2所述的基于二階非線性的全光信息交換方法，其特征在于，第 5步中，對二階非線性的光學器件輸出的光先使用帶通濾波器或者帶阻濾波器進行光學濾波，再得到經過了全光信息交換的兩個信號光。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于二階非線性的全光信息交換方法，該方法選用具有二階非線性的單個光學器件，利用二階非線性效應參量衰減和波長轉換相結合的作用機理，可以在全光域內實現攜帶不同數據信息的波長間的信息交換功能，且信息交換對數據調制格式透明。在采用本發(fā)明所述的方法進行全光信息交換之前，需要根據二階非線性光學器件的準相位匹配波長選擇所需抽運光的波長，同時依據全光信息交換的發(fā)生條件給出所需的抽運光的光功率。本發(fā)明使用單個光學器件，方案簡單易實現。在單個光學器件選擇上可以靈活使用具有二階非線性的光波導，尺寸小易集成。
文檔編號H04Q11/00GK102547492SQ20111042700
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月17日 優(yōu)先權日2011年12月17日
發(fā)明者王健 申請人:華中科技大學