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    波長變換論文:光通訊波長變換探究

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    波長變換論文:光通訊波長變換探究

    本文作者:夏林中管明祥作者單位:深圳信息職業技術學院電子與通信學院

    基于PPMgLN晶體的波長轉換技術

    LiNbO3是典型的負單軸晶體,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晶體的高效頻率轉換主要有兩種相位匹配方式,即準相位匹配(QPM)和雙折射相位匹配(BPM)[9]。利用周期極化摻氧化鎂的LiNbO3(PPMgLN)晶體實現準相位匹配,其實質是對LiNbO3等鐵電材料的自發極化方向進行周期性調制,以補償相位失配,從而在整個PPMgLN晶體內實現高效的光學頻率變換。由于極化周期與材料的內在特性無關,因此與BPM技術相比,QPM技術沒有波矢方向和偏振方向的限制;沒有雙折射效應的晶體也可以實現QPM;理論上QPM能夠利用晶體的整個透光范圍;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,其非線性光學頻率變換的轉換效率較BPM有顯著提高[10]。因此,在全光通信波長轉換時,選用準相位匹配方式。準相位匹配方式也分兩種類型,即O型(eee型)準相位匹配和I型(ooe型)準相位匹配。O型準相位匹配泵浦帶寬非常窄,通常只能容下一個泵浦光頻率,且其最大非線性系數為d33(25.3pm/v);I型準相位匹配泵浦帶寬較寬,且其最大非線性系數為d31(4.6pm/v)[11]。如果選用O型準相位匹配,則頻率轉換效率很高,但泵浦帶寬很窄;如果選用I型準相位匹配,則頻率轉換效率較低,但泵浦帶寬很寬,為此可根據需要選取O型準相位匹配或I型準相位匹配。在PPMgLN準相位匹配參量過程中,三波應滿足能量守恒定律和動量守恒定律[12]。

    級聯二階倍頻差頻(cSHG/DFG)全光波長轉換

    基于PPMgLN晶體在1.5μm波長附近的WDM區域實現波長轉換可利用二階效應以及二階級聯效應。如果是利用二階效應,一個強的泵浦光(0.78μm波段)與信號光(1.5μm波段)產生差頻效應得到轉換光。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換實驗方案中,泵浦光和信號光從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生了倍頻光,倍頻光再與信號光差頻,最終產生轉換光。在整個傳輸過程中,倍頻與差頻過程是同時作用的,最終產生的轉換光可表示為。其轉換過程如圖2所示。該種波長轉換機制也存在著一個問題,就是其泵浦光在通信波段,占據了一個可能的波長通道。為了解決這個問題,提出了級聯二階和頻差頻全光波長轉換機制。

    級聯二階和頻差頻(cSFG/DFG)全光波長轉換

    級聯二階和頻差頻全光波長轉換方式采用了兩個泵浦光,且泵浦光波長位于通信波段的兩側,避免了占用通信波段資源。其實驗方案如圖3所示。在寬帶和頻差頻全光通信波長轉換實驗方案中,泵浦光、和信號光從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生了,和頻光再與信號光差頻,最終產生轉換光。在整個傳輸過程中,和頻與差頻過程是同時作用的,最終產生的轉換光可表示為。其轉換過程如圖4所示。目前,cSFG/DFG全光通信波長轉換方案應用非常廣泛,其中比較成熟的應用就是實現多波長廣播功能。

    結論

    經過研究與分析,得出以PPMgLN晶體為二階非線性介質和以I類QPM技術為基礎的級聯二階和頻差頻全光通信波長轉換器,具有低噪聲、波長調諧范圍寬和可以同時轉換多波長的特點,是對幅度、頻率和相位信息完全透明的方案,且可以實現廣播功能,為此其應用前景將會非常廣闊。

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