一种基于贝塞尔啁啾光栅结构的全光波长转换器的设计方法
【专利摘要】一种基于贝塞尔啁啾光栅结构的全光波长转换器的设计方法，所述方法首先给出极化周期按照贝塞尔函数进行变化的周期极化铌酸锂晶体模型，然后在给定基于单通构型级联SHG+DFG效应的全光波长转换方案的约束条件后，寻找满足此约束条件时贝塞尔啁啾光栅结构PPLN晶体模型的结构优化设计参数，最后利用这些设计参数确定全光波长转换器的结构。本发明在全光波长转换器的设计过程中综合考虑了转换带宽、转换效率以及转换效率曲线的平坦性三种波长转换特性，不仅可使设计出的波长转换器具有平坦的波长转换效率，而且可以极大地扩展波长转换带宽。
【专利说明】
-种基于贝塞尔嗎嗽光栅结构的全光波长转换器的设计方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于贝塞尔调嗽光栅结构的全光波长转换器的设计方法，可使全 光波长转换器具有极大的波长转换带宽，同时保持平坦的波长转换效率，属于光学元件技 术领域。
【背景技术】
[0002] 随着网络技术的不断进步，业务模型不断地发生变化，业务量也随之爆炸式地增 长，光网络正在向下一代全光通信网迅速发展。全光通信网不仅要能够实现信息的超大容 量传输，而且要实现灵活、快速的路由选择与光路配置。波分复用（WDM: Wavelength Division Multiplexing)光网络不仅可W满足对传输容量的需求，而且具有天然的利用波 长来选择路由的优势。在WDM网络中，客户层业务W光波长的形式在光网络中传输，在光域 上交叉连接和分插复用。信道与波长对应，利用波长选路来实现网络路由和交换，实现客户 端到端动态连接。因此，如何对光网络中的波长信号进行传输、控制和交换成为亟待解决的 问题。特别是其中的全光波长转换技术，它是解决波长竞争、实现波长再利用的关键技术， 故已成为全光通信网中的研究热点之一。
[0003] 在众多波长转换方案中，基于准相位匹配(QPM:如asi-Phase Matching)技术的波 长转换器具有效率高、转换速度快、无附加噪声和调嗽、全透明等诸多独特的技术优势，使 之成为近些年光波长转换的主要研究方向。早期的基于QPM技术的波长转换器大都采用均 匀周期结构QPM晶体W及"差频(DFG:Difference Rrequency Generation)"效应来实现，转 换带宽只有几十纳米。此外由于QPM晶体只能支持1.5μπι波段的TMoo模，因此造成采用DFG效 应时，处于780nm波段的累浦光入射到晶体里会激发出许多高阶模，损失很多累浦光功率。 为了解决运个问题，人们在DFG过程之前级联了另外一个二阶非线性过程：倍频（SHG: Second 化rmonic Generation)过程或和频（SFG: Sum Frequency Generation)过程，使得 所需的累浦光和信号光都处于1.5μπι波段，相应的级联二阶非线性过程被称为级联SHG+DFG 和级联SFG+DFG。在运两种级联二阶非线性过程中，根据倍频光或和频光在晶体中的传输次 数不同，又分为"单通"和"双通"两种构型。其中"单通"构型中，倍频光或和频光沿着晶体正 向传输一次，而"双通"构型中，倍频光或和频光沿着晶体正向和反向各传输一次。
[0004] 虽然级联二阶非线性效应解决了早期基于DFG效应时所面临的累浦光不处于光通 信波段的问题，但转换带宽依然有限。特别是对于WDM系统中的多信道波长转换(宽带转换） 而言，其希望转换带宽要大且转换效率曲线相对要平坦。有学者研究表明，采用非均匀的极 化周期结构可W有效地扩展转换带宽，提高累浦稳定性。清华大学的张汉一、郭奕理研究组 利用分段结构QPM晶体对直接基于DFG效应的波长转换方案进行了理论分析，得到了超过 130nm的转换带宽，但是他们的研究仍是针对DFG效应，且转换效率曲线的平坦性相对较差。 清华大学的杨昌喜研究组对具有宽带、平坦转换效率曲线的QPM晶体结构进行了研究，设计 了一种用于QPM波长转换的正弦调嗽超晶格（SCOSs : Sinusoidally Chi;rped Optical Super lattices)结构，得到了 14化m的转换带宽，转换效率曲线也十分平坦，但所得转换带 宽相对而言仍不是很大。Tehranchi等人提出了一种阶梯调嗽光栅（SCG: step畑irped Grating)结构，并利用运种结构获得了良好的平坦特性，但转换带宽扩展效果却不明显，只 有约90nm。
[0005] 从上述研究成果可W看出，基于QPM技术的波长转换方案的可行性和有效性毋庸 置疑，但还存在着一些不足:对于WDM光纤通信系统，希望获得尽可能大的转换带宽W覆盖 多个光纤通信窗口，同时转换效率曲线也应尽量平坦。虽然已报道的非均匀QPM结构在扩展 转换带宽或者提高转换效率的平坦性方面取得了一定的效果，但综合而言它们还存在着带 宽扩展不足，或者平坦性有待提高的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于贝塞尔调嗽光栅结构的全 光波长转换器的设计方法，在获得平坦的波长转换效率的同时，扩展波长转换带宽。
[0007] 本发明所述问题是W下述技术方案解决的：
[0008] -种基于贝塞尔调嗽光栅结构的全光波长转换器的设计方法，所述方法首先给出 极化周期按照贝塞尔函数进行变化的周期极化妮酸裡（P化N :Pe;riodically Poled Lithium Niobate)晶体模型，然后在给定基于单通构型级联甜G+DFG效应的全光波长转换 方案的约束条件后，寻找满足此约束条件时贝塞尔调嗽光栅结构PPLN晶体模型的结构优化 设计参数，最后利用运些设计参数确定全光波长转换器的结构。
[0009] 上述基于贝塞尔调嗽光栅结构的全光波长转换器的设计方法，具体步骤为：
[0010] a.给出基于单通构型级联S服+DFG效应的贝塞尔调嗽光栅结构PPLN晶体的模型： [00川晶体总长度为L，x轴的正方向为光在PPLN晶体中的传播方向，沿着光的传 播方向，P化N晶体的极化周期Λ按照公式（1)进行变化，其中Λο为倍频过程完全相位匹配 时均匀周期光栅结构PPLN晶体的极化周期，Jv是第一类贝塞尔函数，下标V代表贝塞尔函数 的阶数，丫，τ和ξ为定义的PPLN晶体的Ξ个结构设计参数，其中参数丫用来控制PPLN晶体极 化周期沿贝塞尔曲线纵轴方向的尺度，参数τ用来控制PPLN晶体极化周期沿贝塞尔曲线横 轴方向的振荡周期，参数ξ用来控制PPLN晶体极化周期沿贝塞尔曲线横轴方向的起点；
[0012]
(1)
[0013] b.给定波长转换特性的约束条件，设置初始条件，在某一确定晶体长度下寻找满 足此约束条件时PPLN晶体的结构参数：
[0014] ①波长转换特性的约束条件包括:最高转换效率、平坦度（即最大转换效率-3-地 带宽范围内的平均转换效率）；初始条件包括:累浦光初始功率、波长、信号光功率及波长变 化范围、倍频与差频过程的有效相互作用面积、贝塞尔函数的阶数、工作溫度W及PPLN晶体 的有效非线性极化系数；
[0015] ②利用龙格-库塔法对基于細G+DFG效应的全光波长转换过程的禪合波方程进行 求解，得到满足约束条件时PPLN晶体的结构设计参数丫，τ和ξ，基于SHG+DFG效应的全光波 长转换过程的禪合波方程如公式(2)-(5)所示：
[0020] 其中E代表光波的场分布，E的下标s、c、p和甜分别代表信号光、转换光、累浦光和 倍频光;KSHG和KDFG是倍频过程和差频过程的非线性禪合常数；ω 1 α =P，S，C或甜)是光波的 角频率；Δ Oshg(x)和Δ Odfg(x)是倍频过程和差频过程的相位失配因子；
[0021 ] C.改变PPLN晶体长度，确定不同长度时PPLN晶体的结构设计参数丫，τ和ξ;
[0022] d.利用所得的结构设计参数，确定PPLN晶体的结构，从而得到基于贝塞尔调嗽光 栅结构的全光波长转换器的结构。
[0023] 本发明在全光波长转换器的设计过程中综合考虑了转换带宽、转换效率W及转换 效率曲线的平坦性Ξ种波长转换特性，不仅可使设计出的波长转换器具有平坦的波长转换 效率，而且可W极大地扩展波长转换带宽。
【附图说明】
[0024] 图1是基于单通级联細G+DFG效应的全光波长转换器中贝塞尔调嗽光栅结构PPLN 晶体的模型；
[0025] 图2是基于单通级联SHG+DFG效应和贝塞尔调嗽光栅结构PPLN晶体的全光波长转 换器的转换效率随信号光波长的变化关系曲线；
[0026] 图3是波长转换器的转换带宽随PPLN晶体长度的变化关系曲线；
[0027] 图4是波长转换器的平坦性随PPLN晶体长度的变化关系曲线。
[0028] 文中和图中所用符号为:L为PPLN晶体总长度，Λ为PPLN晶体的极化周期，Λ 0为倍 频过程完全相位匹配时均匀周期光栅结构PPLN晶体的极化周期，丫，τ和ξ为PPLN晶体的结 构设计参数，Jv是第一类贝塞尔函数，V代表贝塞尔函数的阶数，E代表光波的场分布，E的下 标S、C、p和甜分别代表信号光、转换光、累浦光和倍频光，KSHG和KDFG是倍频过程和差频过程 的非线性禪合常数；"i(i=p，s，c或甜)是光波的角频率；Δ OsHG(x)和Δ Odfg(x)是倍频过 程和差频过程的相位失配因子。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0030] 本发明提供的基于贝塞尔调嗽光栅结构的全光波长转换器的设计方法，在保持平 坦的波长转换效率同时，极大地扩展了波长转换带宽。
[0031] 本发明技术方案的基本思路是：
[0032] (1)给出基于单通构型级联甜G+DFG效应的全光波长转换方案的贝塞尔调嗽光栅 结构PPLN晶体的模型。（2)给定波长转换特性的约束条件，在某一确定晶体长度下寻找满足 此约束条件时的结构参数。（3)变化晶体长度，重复寻找每个晶体长度下符合约束条件的结 构参数。（4)根据所得的结构参数确定PPLN晶体的结构，得到基于贝塞尔调嗽光栅结构的全 光波长转换器的波长转换特性。
[0033] 本发明具体步骤的详细描述如下：
[0034] 第1步，给出基于单通构型级联SHG+DFG效应的贝塞尔调嗽光栅结构PPLN晶体的模 型。
[0035] 图1为基于单通级联SHG+DFG效应的全光波长转换器中贝塞尔调嗽光栅结构PPLN 晶体的模型。图中E代表光波的场分布，其下标s、c、p和SH分别代表信号光、转换光、累浦光 和倍频光。PPLN晶体总长度为L，沿着光的传播方向（X轴正向），晶体的极化周期Λ按照公式 (1)所示进行变化。其中Αο为倍频过程完全相位匹配时均匀周期光栅结构PPLN晶体的极化 周期，Jv是第一类贝塞尔函数，下标V代表贝塞尔函数的阶数，丫，τ和ξ为定义的PPLN晶体的 Ξ个结构设计参数，其中参数丫用来控制PPLN晶体极化周期沿贝塞尔曲线纵轴方向的尺 度，参数τ用来控制PPLN晶体极化周期沿贝塞尔曲线横轴方向的振荡周期，参数ξ用来控制 PPLN晶体极化周期沿贝塞尔曲线横轴方向的起点。通过合理优化设计晶体的极化周期Λ即 可有效的对波长转换器的转换带宽进行扩展。
[0036] 第2步，给定波长转换特性的约束条件，设置初始条件，在某一确定晶体长度下寻 找满足此约束条件时的结构参数。
[0037] (1)给定波长转换特性的约束条件:最高转换效率〉-17地、平坦度含0.7dB(即最大 转换效率-3-地带宽范围内的平均转换效率< 0.7dB)，W获得尽可能宽且平坦的波长转换 效率曲线。设置初始条件:选取累浦光初始功率为150mW的连续光，波长设定在1.55μπι，信号 光波长在1450nm-1670nm范围内连续变化，功率为ImW。倍频与差频过程的有效相互作用面 积相等，Ssh = Sdf S 46.5μπι2。贝塞尔函数的阶数v = 0，工作溫度为150°C dPPLN晶体的有效非 线性极化系数def f = 17.2pm/V。
[0038] (2)在确定晶体长度L = 3cm下，利用龙格-库塔法对基于SHG+DFG效应的全光波长 转换过程的禪合波方程进行求解，得到满足约束条件时PPLN晶体的结构设计参数γ，τ和ξ。
[0039] 第3步，改变PPLN晶体长度，确定不同长度时PPLN晶体的结构设计参数丫，τ和ξ。
[0040] 改变PPLN晶体的长度，在不同长度时重复第2步的过程，找到不同长度PPLN晶体时 的结构设计参数丫，τ和ξ。
[0041] 第4步，利用所得的结构设计参数，得到基于贝塞尔调嗽光栅结构的全光波长转换 器的波长转换特性。
[0042] 将第3步得到的不同长度PPLN晶体时的结构设计参数丫，τ和ξ带入公式（1)，得到 不同长度时PPLN晶体的极化周期，随后利用运些极化周期分别计算获得不同晶体长度下波 长转换器的转换带宽和转换效率曲线的平坦度。
[0043] 为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合计算实例对本发明作进一步的说 明。
[0044] 计算实例：
[0045] 1.采用如图1所示的贝塞尔调嗽光栅结构PPLN晶体，设PPLN晶体总长度为L，L = 3cm。利用公式（1)得到满足约束条件时的转换效率随信号光波长的变化关系曲线，如图2所 /J、- 〇
[0046] 2.在lcm-5cm范围内改变PPLN晶体的长度，变化间隔为0.5cm。计算得到不同晶体 长度时的结构设计参数丫，τ和ξ，如表1所示。
[0047] 表1:不同晶体长度时波长转换器的结构设计参数 [004引
[0049] 3.利用表1所示结构设计参数，计算得到波长转换器的转换带宽和转换效率曲线 的平坦度随PPLN晶体长度的变化关系曲线，分别如图3和4所示。从图3中可W直接看出，3- 地转换带宽均在140nmW上；同时从图4中也可W看出，平坦度都在0.71地W下浮动，属于超 宽且平坦的波长转换效率，符合设定目标要求。
【主权项】
1. 一种基于贝塞尔啁嗽光栅结构的全光波长转换器的设计方法，其特征是，所述方法 首先给出极化周期按照贝塞尔函数进行变化的周期极化铌酸锂晶体模型，然后在给定基于 单通构型级联SHG+DFG效应的全光波长转换方案的约束条件后，寻找满足此约束条件时贝 塞尔啁嗽光栅结构PPLN晶体模型的结构优化设计参数，最后利用这些设计参数确定全光波 长转换器的结构。2. 根据权利要求1所述的基于贝塞尔啁嗽光栅结构的全光波长转换器的设计方法，其 特征是，具体步骤为： a. 给出基于单通构型级联SHG+DFG效应的贝塞尔啁嗽光栅结构PPLN晶体的模型： 设PPLN晶体总长度为L，X轴的正方向为光在PPLN晶体中的传播方向，沿着光的传播方 向，PPLN晶体的极化周期Λ按照公式（1)进行变化，其中Λ〇为倍频过程完全相位匹配时均 匀周期光栅结构PPLN晶体的极化周期，J v是第一类贝塞尔函数，下标ν代表贝塞尔函数的阶 数，γ，τ和ξ为定义的PPLN晶体的三个结构设计参数，其中参数γ用来控制PPLN晶体极化周 期沿贝塞尔曲线纵轴方向的尺度，参数τ用来控制PPLN晶体极化周期沿贝塞尔曲线横轴方 向的振荡周期，参数ξ用来控制PPLN晶体极化周期沿贝塞尔曲线横轴方向的起点；b. 给定波长转换特性的约束条件，设置初始条件，在某一确定晶体长度下寻找满足此 约束条件时PPLN晶体的结构参数： ① 波长转换特性的约束条件包括:最高转换效率、平坦度（即最大转换效率-3-dB带宽 范围内的平均转换效率）；初始条件包括:栗浦光初始功率、波长、信号光功率及波长变化范 围、倍频与差频过程的有效相互作用面积、贝塞尔函数的阶数、工作温度以及PPLN晶体的有 效非线性极化系数； ② 利用龙格-库塔法对基于SHG+DFG效应的全光波长转换过程的耦合波方程进行求解， 得到满足约束条件时PPLN晶体的结构设计参数γ，τ和ξ;基于SHG+DFG效应的全光波长转换 过程的耦合波方程如公式(2)-(5)所示：其中E代表光波的场分布，E的下标s、c、p和SH分别代表信号光、转换光、栗浦光和倍频 光;!CSHG和!CDFG是倍频过程和差频过程的非线性耦合常数；ω i =P，S，C或SH)是光波的角频 率；A (&SHC(X)和Δ Φ·(χ)是倍频过程和差频过程的相位失配因子； C.改变PPLN晶体长度，确定不同长度时PPLN晶体的结构设计参数γ，τ和ξ; d.利用所得的结构设计参数，确定PPLN晶体的结构，从而得到基于贝塞尔啁嗽光栅结 构的全光波长转换器的结构。
【文档编号】G02F1/355GK105824164SQ201610242983
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】刘涛, 宋泽坤, 陈影
【申请人】华北电力大学（保定）