集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的方法及装置。通过两路连续光激光器发出光将线偏振泵浦光和信号光同时入射到集成平面波导中发生四波混频效应，调节泵浦光的偏振方向与集成波导的主轴成特定泵浦光偏振角度，使得集成平面波导的TE主轴和TM主轴上的四波混频效率保持一致。因此本发明能保证输出的转换效率不随信号光的偏振态变化，实现偏振不敏感的全光波长转换，可为下一代的全光网络节点信号处理提供参考。
【专利说明】集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及了一种波长转换的方法及装置，尤其是涉及属于光纤通信及全光信号处理领域的一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着光通信技术的迅猛发展，光通信网络的传输速率越来越高，容量越来越大。为了避免“电子瓶颈”的限制，支持更高速率、更大容量的数据传输，在交换节点处采用全光信号处理技术直接在光域进行处理成为一项重要选择。在波长路由网络中，每个信道都是用特定波长标识的，不同波长代表不同信道。为了避免网络阻塞，在网络节点处进行波长转换是必不可少的。另外，随着集成光电子学技术的发展，利用集成平面波导研制各类光通信器件从而大大减小通信节点的体积成为一个重要趋势。因而，发展集成型波长转换器件对于下一代光通信网络具有重要的现实意义。
[0003]实现全光波长转换的典型方法是利用非线性介质中的四波混频效应，通过信号光和泵浦光的相互作用，产生新频率的闲频光作为转换光信号。近年来，多种集成波导材料显示出了良好的非线性特性，如硅、II1-V族半导体等。利用其中的四波混频过程即可实现集成型全光波长转换。但是，四波混频过程从原理上是偏振敏感的，转换效率随信号光的偏振态的变化而变化，这给器件的实用性带来了很多不便。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的方法及装置，用集成平面波导实现偏振不敏感全光波长转换。
[0005]本发明采用的技术方案是:
[0006]—、一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的方法:
[0007]将线偏振泵浦光和信号光同时入射到集成平面波导中发生四波混频效应，调节泵浦光的偏振方向与集成波导的主轴成泵浦光偏振角度θ p，使得集成平面波导的TE主轴和TM主轴上的四波混频效率保持一致，实现偏振不敏感的全光波长转换。
[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为集成平面波导TE主轴上的相位失配量，K ?为集成平面波导TM主轴上的相位失配量，Y TE为TE主轴上的非线性系数，Y TM为TM主轴上的非线性系数，α ρ_ΤΕ为TE主轴上的泵浦光损耗系数，α ρ_ΤΜ为TM主轴上的泵浦光损耗系数，a c_TE为TE主轴上的转换光损耗系数，α。-ΤΜ为TM主轴上的转换光损耗系数，Cte为TE主轴上的相对耦合效率，Ctm为TM主轴上的相对耦合效率，j为虚数单位，L为集成平面波导长度。
[0011]二、一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的装置:
[0012]包括第一连续光激光器、第一偏振控制器、第一光放大器、第一滤波器、电光调制器、波分复用器、集成平面波导、接收端模块、相位编码信号解调器、光电探测器、第二连续光激光器、第二偏振控制器、第二光放大器、第二滤波器和第三滤波器；第一连续光激光器发出泵浦光经第一偏振控制器，输入到第一光放大器中，第一光放大器输出端经第一滤波器连接到波分复用器的第一输入端；第二连续光激光器发出信号光经第二偏振控制器偏振调节后输入到电光调制器中，信号源与电光调制器连接，电光调制器输出端依次经第二光放大器、第二滤波器后连接到波分复用器的第二输入端，波分复用器输出端输出的泵浦光和信号光同时入射到集成平面波导中发生四波混频，产生转换光，集成平面波导的输出端经第三滤波器与接收端模块连接。
[0013]所述的接收端模块采用光电探测器。
[0014]所述的接收端模块包括相位编码信号解调器和光电探测器，集成平面波导的输出端经第三滤波器后再经相位编码信号解调器解调后与光电探测器连接。
[0015]本发明的有益效果是:
[0016]本发明通过采用成特定泵浦光偏振角度入射的泵浦光与信号光发生四波混频效应，使得集成平面波导的TE和TM两个主轴方向上的转化效率达到一致，从而保证输出的转换效率不随信号光的偏振态变化，实现偏振不敏感波长转换的功能。
[0017]本发明可为下一代的全光网络节点信号处理提供参考。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明方法的原理示意图。
[0019]图2为本发明装置的连接结构示意图。
[0020]图3为本发明装置的一种接收端模块的结构示意图。
[0021]图4为本发明装置的另一种接收端模块的结构示意图。
[0022]图5为本发明实施例中泵浦光偏振角度随波长的变化关系。
[0023]图6为本发明实施例中转换效率随信号光偏振态的变化关系。
[0024]图中:I为第一连续光激光器，2为第一偏振控制器,3为第一光放大器,4为第一滤波器，5为电光调制器，6为信号源，7为波分复用器，8为集成平面波导，9为第三滤波器，10为接收端模块，11为第二连续光激光器，12为第二偏振控制器,13为第二光放大器,14为第二滤波器，15为光电探测器，16为相位编码信号解调器。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0026]如图1所示，本发明转换方法包括:将线偏振泵浦光和信号光同时入射到集成平面波导中发生四波混频效应，调节泵浦光的偏振方向与集成波导的主轴成特定的泵浦光偏振角度θ p，使得集成平面波导的TE主轴和TM主轴上的四波混频效率保持一致，实现偏振不敏感的全光波长转换。
[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为集成平面波导TE主轴上的相位失配量，K ?为TM主轴上的相位失配量，Y TE为TE主轴上的非线性系数，Y TM为TM主轴上的非线性系数，α ρ_ΤΕ为TE主轴上的泵浦光损耗系数，α ρ_ΤΜ为TM主轴上的泵浦光损耗系数，a c_TE为TE主轴上的转换光损耗系数，a c_TM为TM主轴上的转换光损耗系数，Cte为TE主轴上的相对耦合效率，Ctm为TM主轴上的相对耦合效率，j为虚数单位，L为集成平面波导长度。
[0030]本发明提出的集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的方法可以用图1所示的原理示意图加以描述。当线偏振泵浦光入射到集成平面波导中时，泵浦光可以按照TE和TM两主轴模式分解，同样，信号光也可以分解到这两个主轴上。根据四波混频理论，只有同偏振的分量之间才会发生四波混频效应得到转换光，而相互垂直的偏振态之间的效率为零。因而，四波混频将在TE和TM两个偏振方向上分别发生，两个方向上的效率由波导的特性参数以及泵浦光的偏振角度决定。
[0031]如图2所示，本发明的转换装置包括第一连续光激光器1、第一偏振控制器2、第一光放大器3、第一滤波器4、电光调制器5、信号源6、波分复用器7、集成平面波导8、接收端模块10、相位编码信号解调器16、光电探测器15、第二连续光激光器11、第二偏振控制器
12、第二光放大器13、第二滤波器14和第三滤波器9。
[0032]第一连续光激光器1、第一偏振控制器2、第一光放大器3和第一滤波器4组成泵浦光链路；第二连续光激光器11、第二偏振控制器12、第二光放大器13、第二滤波器14、信号源6和电光调制器5组成信号光链路。
[0033]第一连续光激光器I发出泵浦光经第一偏振控制器2,输入到第一光放大器3中，第一光放大器3输出端经第一滤波器4连接到波分复用器7的第一输入端；第二连续光激光器11发出信号光经第二偏振控制器12偏振调节后输入到电光调制器5中，信号源6与电光调制器5连接，电光调制器5由信号源6发出的编码信号控制，电光调制器5输出端依次经第二光放大器13、第二滤波器14后连接到波分复用器7的第二输入端，泵浦光和信号光通过波分复用器7同时接入到集成平面波导8中发生四波混频，产生转换光，集成平面波导8的输出端经第三滤波器9与接收端模块10连接。
[0034]如图3所示，当信号源6发出强度编码信号时，所述的接收端模块10采用光电探测器15，集成平面波导8的输出端经第三滤波器9后与光电探测器15连接。
[0035]如图4所示，当信号源6发出相位编码信号时，所述的接收端模块10包括相位编码信号解调器16和光电探测器15，集成平面波导8的输出端经第三滤波器9后再经相位编码信号解调器16解调后与光电探测器15连接。
[0036]在本发明中，激光器可选择通信波段的各种连续光激光器，电光调制器、偏振控制器、光放大器、滤波器、解调器、光电探测器均可选用各种商业元器件。
[0037]本发明装置的泵浦光由第一连续光激光器I提供，利用第一偏振控制器2调节其偏振角度，经过第一光放大器3放大并通过第一滤波器4滤波,提升其有效功率。信号光由第二连续激光器11提供，信号经过电光调制器5加载，经第二光放大器13放大、第二光滤波器14滤波以后和泵浦光通过波分复用器7合并后入射到集成平面波导8中发生四波混频，产生转换光，通过第三滤波器9滤出转换光，进行信号接收。
[0038]对于接收端模块，如图3，接收端仅有一个光电探测器15，用于强度编码信号的接收检测；如图4中，接收端由相位码解调器16和光电探测器15构成，用于相位编码信号的接收检测。选择哪种接收端取决于信号源6发出的信号编码类型。
[0039]将泵浦光的偏振角度调节到上述公式中所计算出的数值，即可实现偏振不敏感全光波长转换。
[0040]实施例1:
[0041]以截面高宽尺寸为300nmX500nm的条形娃基集成平面波导为例，通过计算可得TE 和 TM 主轴上的有效模场面积分别为 Aeff_TE = 9.484 X 1(Γ2 μ m2、Aeff_TM = 9.838 X 1(Γ2 μ m2。假设TM主轴的相对耦合效率为Ctm = 1，CTE/CTM = 0.473。线性传输损耗为a Un_TE = 2.5dB/cm, a Lin_TM = 2dB/cm，双光子吸收系数为β TPA = 0.5cm/Gff,自由载流子吸收截面为σ=1.45X 10_17Cm2，有效载流子寿命为τ eff = 2.5ns，硅材料的非线性折射率系数为n2 =9X 10_18m2/W，波导长度为L = 0.8cm。在这些参数条件下，假设入射泵浦光功率为10mW,波长为1550nm，计算所得的泵浦光偏振角度随信号光波长的变化关系如图4所示。尽管所需的泵浦光偏振角度因信号光波长而异，但在很宽的信号光波长范围内变化十分微小，可以当作常数看待。从1530nm到1570nm，所需的泵浦光偏振角度可由这一范围内平均值代替，即为 28.844。。
[0042]按照实施例所确定的泵浦光偏振角度，假设信号光功率为lmW，转换效率随信号光偏振态的变化关系如图5所示。不失一般性，信号光的偏振角度在O到90°范围内变化。图5中计算了多个信号光波长的转换情况，可以看出他们的转换效率因其不同的相位匹配条件而略有区别。尽管波长不同，但是他们的转换效率随信号光偏振态的波动都非常轻微。例如，波长为1541.66nm的信号光转换效率没有波动；波长为1560nm的信号光转换效率仅波动0.002dB ;即便对于远离泵浦光25nm的波长为1575nm的信号光，其转换效率波动也只有0.398dB,因此实施例结果验证了本发明波长转换方法的偏振不敏感性，本发明具有显著的技术效果。
【权利要求】
1.一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的方法，其特征在于:将线偏振泵浦光和信号光同时入射到集成平面波导中发生四波混频效应，调节泵浦光的偏振方向与集成波导的主轴成泵浦光偏振角度θ p，使得集成平面波导的TE主轴和TM主轴上的四波混频效率保持一致，实现偏振不敏感的全光波长转换。
2.根据权利要求1所述的一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的方法，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为集成平面波导TE主轴上的相位失配量，K ?为集成平面波导TM王轴上的相位失配量，Y TE为TE主轴上的非线性系数，Y TM为TM主轴上的非线性系数，a p_TE为TE主轴上的泵浦光损耗系数，a P-?为TM主轴上的泵浦光损耗系数，a c_TE为TE主轴上的转换光损耗系数，a c_TM为TM主轴上的转换光损耗系数，Cte为TE主轴上的相对耦合效率，Ctm为TM主轴上的相对耦合效率，j为虚数单位，L为集成平面波导长度。
3.用于实施权利要求1?2所述方法的一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的装置，其特征在于:包括第一连续光激光器(I)、第一偏振控制器(2)、第一光放大器(3)、第一滤波器(4)、电光调制器(5)、波分复用器(7)、集成平面波导(8)、接收端模块(10)、相位编码信号解调器(16)、光电探测器(15)、第二连续光激光器(11)、第二偏振控制器(12)、第二光放大器(13)、第二滤波器(14)和第三滤波器(9)； 第一连续光激光器(I)发出泵浦光经第一偏振控制器(2),输入到第一光放大器(3)中，第一光放大器(3)输出端经第一滤波器(4)连接到波分复用器(7)的第一输入端；第二连续光激光器(11)发出信号光经第二偏振控制器(12)偏振调节后输入到电光调制器(5)中，信号源(6)与电光调制器(5)连接，电光调制器(5)输出端依次经第二光放大器(13)、第二滤波器(14)后连接到波分复用器(7)的第二输入端，波分复用器(7)输出端输出的泵浦光和信号光同时入射到集成平面波导(8)中发生四波混频，产生转换光，集成平面波导(8)的输出端经第三滤波器(9)与接收端模块(10)连接。
4.根据权利要求3所述的一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的装置，其特征在于:所述的接收端模块(10)采用光电探测器(15)。
5.根据权利要求3所述的一种集成平面波导型偏振不敏感全光波长转换的装置，其特征在于:所述的接收端模块(10)包括相位编码信号解调器(16)和光电探测器(15)，集成平面波导(8)的输出端经第三滤波器(9)后再经相位编码信号解调器(16)解调后与光电探测器(15)连接。
【文档编号】G02F2/00GK104252084SQ201410476522
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】高士明, 陆佳美, 王晓燕 申请人:浙江大学