专利名称：基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器及变换方法
技术领域：
本发明涉及全光信号处理技术领域和非线性光纤光学技术领域，特别涉及一种基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器及变换方法。
背景技术：
信息技术以超乎人们想象的速度迅猛地发展，同时人们对通信品质及体验度的需求日益提升，因此，对通信技术提出了更高的要求。全光智能可重构通信网被公认为是解决通信瓶颈的下一代通信方式。在全光智能可重构通信网中，为了充分利用网络资源，需要对资源进行动态调节，以降低网络的阻塞，进而提高光网络的可重构性和智能性。目前实现全光波长变换的技术主要有交叉增益调制(XGM)、交叉相位调制(XPM)以及四波混频(FWM) 等。交叉增益调制是有源器件中的增益饱和效应，半导体光放大器(SOA)是应用最广泛的产生交叉增益调制的器件。但是，由于SOA中载流子恢复时间的限制，这类全光波长变换器的响应速度一般在纳秒量级，这将限制全光波长变换速度的进一步提升。XPM和FWM是两种三阶非线性效应，具有飞秒量级的响应速度，是超高速全光波长变换的理想选择，得到各国科技工作者的高度关注。光纤的纤芯很小，使得它的三阶非线性系数很大，而且光信号在光纤中传播时，两者的作用距离长，因而可以很好地实现XPM或FWM效应，另外，基于光纤的全光波长变换器与光通信系统具有天然的兼容性，可以最大限制地减小插入损耗。经文献检索发现，Sarker,B.等人在 Photonics Technology Letters (光子技术快报,2002，Vol. 14，pp. 340-342)上发表了题为 “All-optical wavelength conversion based on cross-phase modulation (XPM) in a single-mode fiber and a Mach-Zehnderinterferometer.(基于单模光纤和马赫-曾德干涉仪中交叉相位调制的全光波长变换器)”的论文，文中报道的全光波长变换器由一根2km长的标准单模光纤和一个马赫-曾德干涉仪组成。由于标准单模光纤的非线性系数较小，而色散不平坦等原因，使得该结构的波长变换效率不高，波长变换的宽度只有20nm，难以适合宽带全光变换的需要。又经专利检索发现，申请号为2004800252 . 5，名称为《具有非对称位置的萨尼亚克干涉仪的基于半导体光放大器的全光波长转换器》。该装置使用一个萨尼亚克(Mgnac) 干涉环路，并在环路的非对称位置上放置S0A，利用SOA和Mgnac环路共同完成输入信号的波长转换。正如之前所述，SOA的工作速度受制于载流子的恢复时间，因此该装置的工作速度只有纳秒量级，而且该装置中SOA的放置需要一个准确的偏移量，不合适的偏移量会使转换效果达不到设计的要求。因此，现有的全光波长变换器在可变换的波长宽度以及变换速度上，都需要进行提高，以满足要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有全光波长变换器在可变换的波长宽度以及变换速度上的不足，本发明提供一种基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器及变换方法，本发明可以实现波长间隔为50nm以上的波长转换，变换速度理论上可达飞秒量级，在实施例中观察到皮秒量级的变换速度。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器，具有用于调整待变换信号光偏振态和功率的信号光输入光路、连续光源和用于调整连续光偏振态和功率的连续光输入光路，所述的连续光源与连续光输入光路连接，还具有Mgnac干涉环，所述的Mgnac干涉环包括高非线性色散平坦光纤、用于将连续光传递到Mgnac干涉环上的第一耦合器和用于将待变换的信号光与第一耦合器输出的连续光耦合并传递到Mgnac干涉环上的第二耦合器，第二耦合器设置在高非线性色散平坦光纤与第一耦合器之间的Mgnac干涉环上，所述的信号光输入光路与第二耦合器通信，连续光输入光路与第一耦合器通信。为了控制Mgnac干涉环内光信号的偏振状态，所述的Mgnac干涉环上还具有至少一个第三偏振控制器，所述的第三偏振控制器和第二耦合器分别位于高非线性色散平坦光纤的两侧。为了控制待变换的信号光和用于控制目标变换波长的连续光的偏振状态，所述的信号光输入光路具有至少一个第一偏振控制器，连续光输入光路中具有至少一个第二偏振控制器。为了适应宽带全光波长变换的需要，提高波长变换的宽度，所述的高非线性色散平坦光纤的非线性系数彡11(KmW) ―1，色散系数0 ( GVD < 1. 5pS/km/nm，长度彡10m。作为优选，所述的第一耦合器是分光比为50 50的四端口光功率耦合器，第一端为输入端，与所述的连续光源连接；第二端为变换后信号光的输出端；第三端和第四端分别为用于输出第一分量信号的第一分量输出端和用于输出第二分量信号的第二分量输出端，第三端和第四端均与Mgnac干涉环进行通信；所述的第一分量信号与第二分量信号在 Sagnac干涉环上的运行方向相反。作为优选，与第一耦合器相配合，所述的第二耦合器是分光比为10 90的三端口光功率耦合器，第一端为90%输入端，与信号光输入光路的输出端连接；第二端为10%输入端，与第一耦合器的第三端或第四端连接；第三端为用于输出耦合信号的输出端，与高非线性色散平坦光纤进行通信。一种基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换方法，设置Mgnac干涉环，所述的Mgnac干涉环包括高非线性色散平坦光纤、第一耦合器、第二耦合器和至少一个偏振控制器，第二耦合器设置在高非线性色散平坦光纤与第一耦合器之间的Mgnac干涉环上；接收经过偏振态和功率调整的待变换的信号光进入第二耦合器；接收经过偏振态和功率调整的连续光进入第一耦合器，所述的连续光的波长与目标变换的波长相同，在Mgnac干涉环中将连续光分成顺时针分量和逆时针分量；第一耦合器的顺时针分量或逆时针分量与第二耦合器接收的信号光耦合后输入到高非线性色散平坦光纤中，产生相位调制信号；相位调制信号与逆时针分量或顺时针分量同时到达第一耦合器，从第一耦合器中输出变换了波长的信号光和原波长信号光。变换过程中，调整偏振控制器，使Mgnac干涉环的输出信号最强。为了选择所变换的信号，将从第一耦合器中输出的变换了波长的信号光以及原波
5长信号光输入到滤波器，得到变换了波长的信号光。本发明的有益效果是，本发明基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器及变换方法，具有以下优点1、具有很宽的波长变换宽度，可以将信号转移到与信号光波长相隔50nm以上的波长上；2、超快的响应速度，理论上可达到飞秒量级；3、结构紧凑，节约成本，与现有的基于Mgnac干涉环的全光波长变换器相比，现有的Mgnac环的环长需要几百米到上千米，本发明的Mgnac环的环长只有IOm ；4、功耗低，与现有的基于Mgnac干涉环的全光波长变换器相比，本发明的功耗要低至少3dB。5、高非线性色散平坦光纤不需要特别的偏移量，方便使用，后期不易受高非线性色散平坦光纤位置偏移而影响转换效果。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器最优实施例的结构示意图。图中1、掺铒光纤放大器(EDFA)，2、第一偏振控制器，3、第一光功率衰减器，4、可调激光器，5、第二 EDFA，6、第二偏振控制器，7、第二光功率衰减器，8、第二耦合器，9、第一耦合器，10、高非线性色散平坦光纤，11、第三偏振控制器，12、滤波器，13、自相关仪，14、光谱分析仪。图2是本发明基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器最优实施例中波长变换前的光谱。图3是本发明基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器最优实施例中波长变换后的光谱。图4是本发明基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器最优实施例中波长变换前的信号光脉冲。图5是本发明基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器最优实施例中经波长变换后输出的信号光脉冲。
具体实施例方式现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。如图1所示，本发明基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器最优实施例的结构示意图。具有用于调整待变换信号光偏振态和功率的信号光输入光路、连续光源和用于调整连续光偏振态和功率的连续光输入光路，信号光输入光路依次具有第一掺铒光纤放大器1、第一偏振控制器2和第一光功率衰减器3，连续光输入光路中依次具有第二掺铒光纤放大器5、第二偏振控制器6和第二光衰减器7，连续光源为可调激光器4，可调激光器4 与第二掺铒光纤放大器5连接，还具有Mgnac干涉环，Sagnac干涉环包括高非线性色散平坦光纤10、用于将连续光传递到Mgnac干涉环上的第一耦合器9和用于将待变换的信号光与第一耦合器9输出的连续光耦合并传递到Mgnac干涉环上的第二耦合器8，高非线性色散平坦光纤10与第一耦合器9在Mgnac干涉环上对称设置，第二耦合器8设置在高非线性色散平坦光纤10与第一耦合器9之间的Mgnac干涉环上，第一光功率衰减器3与第二耦合器8连接，第二光衰减器7与第一耦合器9连接。Sagnac干涉环上还具有一个第三偏振控制器11，第三偏振控制器11和第二耦合器8分别位于高非线性色散平坦光纤10的两侧。第一耦合器9是分光比为50 50的四端口光功率耦合器，第一端901为输入端， 与第二光衰减器7连接；第二端902为变换后信号光的输出端，与滤波器12连接；第三端 903和第四端904分别为用于输出第一分量信号的第一分量输出端和用于输出第二分量信号的第二分量输出端，第三端903和第四端904均与Mgnac干涉环进行通信；第一分量信号与第二分量信号在^gnac干涉环上的运行方向相反，第一分量信号沿逆时针方向运行， 二分量信号沿顺时针方向运行。第二耦合器8是分光比为10 90的三端口光功率耦合器，第一端801为90%输入端，与第一光功率衰减器3的输出端连接；第二端802为10%输入端，与第一耦合器9的第四端904连接；第三端803为用于输出耦合信号的输出端，与高非线性色散平坦光纤10 进行通信。第一耦合器9的第三端903与第三偏振控制器11连接。待变换的脉冲信号经第一掺铒光纤放大器1放大，然后由第一偏振控制器2调节其偏振态，使信号光输入光路的输出信号最强，接着由第一光功率衰减器3将信号光功率调节到8dBm，最后由第二耦合器8将90 %的信号功率由其801端口耦合到803端口，进入到^gnac干涉环。将可调激光器4输出的连续光的波长调节到信号光需要变换到的目标波长，本实施例中目标变换的波长为1510nm，并由第二掺铒光纤放大器5放大，再由第二偏振控制器6控制其偏振态，使连续光输入光路的输出信号最强，接着由第二光衰减器7将连续光功率调节到8dBm，然后由第一耦合器9将该连续光由其901端口平分到903和904端口，形成顺时针和逆时针运行的两路光。第一耦合器的904端口与第二耦合器的802端口相连。由904端口输出的光有10 %的功率经第二耦合的802端口耦合到803端口，与由801 端口耦合过来的信号光一起输入到高非线性色散平坦光纤10中，信号光与连续光在高非线性色散平坦光纤10中相互作用，产生交叉相位调制效应，从而改变顺时针运行的连续光的相位，携带有相位信息的顺时针运行的连续光与逆时针运行的连续光，在第一耦合9中相遇，最后将信号光所携带的信号转移到连续光上，调节第三偏振控制器11，使902端口的输出信号最强，并由第一耦合器9的902端口输出，输出光分成两路，一路经滤波器，滤出变换了波长的信号光，再输入到自相关仪13 ；另一路直接输入到光谱分析仪14。本实施例中所采用的高非线性色散平坦光纤的非线性系数为11 (KmW)―1，色散系数0. 5 < GVD < 1. 5ps/km/nm，长度为 10m。本实施例将信号光由波长1560nm变换到1510nm，变换结果如图2-图5所示，其中，图2和图3从频域上说明成功地实现了波长的变换，图4和图5从时域上说明了波长变换的实现，并且可以看出变换速度达到皮秒量级。图5中，信号光经波长变换后，脉冲有所展宽，本领域技术人员可知这仅是由于滤波器的作用；并且，从图3可以看出，变换了波长的信号光功率较强，可以满足通信的要求。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
权利要求
1.一种基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器，具有用于调整待变换信号光偏振态和功率的信号光输入光路、连续光源和用于调整连续光偏振态和功率的连续光输入光路，所述的连续光源与连续光输入光路连接，其特征在于还具有Mgnac干涉环，所述的Sagnac干涉环包括高非线性色散平坦光纤(10)、用于将连续光传递到Mgnac干涉环上的第一耦合器(9)和用于将待变换的信号光与第一耦合器(9)输出的连续光耦合并传递到Mgnac干涉环上的第二耦合器(8)，第二耦合器(8)设置在高非线性色散平坦光纤(10)与第一耦合器(9)之间的Mgnac干涉环上，所述的信号光输入光路与第二耦合器(8)通信，连续光输入光路与第一耦合器(9)通信。
2.如权利要求1所述的基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器，其特征在于所述的Mgnac干涉环上还具有至少一个第三偏振控制器(11)，所述的第三偏振控制器(11)和第二耦合器(8)分别位于高非线性色散平坦光纤(10)的两侧。
3.如权利要求1所述的基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器，其特征在于所述的信号光输入光路具有至少一个第一偏振控制器O)，连续光输入光路中具有至少一个第二偏振控制器(6)。
4.如权利要求1所述的基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器，其特征在于所述的高非线性色散平坦光纤(10)的非线性系数彡11 (KmW)―1，色散系数0 SGVD< 1. 5ps/km/nm,长度< IOm0
5.如权利要求1至4中任一项所述的基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器，其特征在于所述的第一耦合器(9)是分光比为50 50的四端口光功率耦合器，第一端(901)为输入端，与所述的连续光源连接；第二端(90 为变换后信号光的输出端；第三端(903)和第四端(904)分别为用于输出第一分量信号的第一分量输出端和用于输出第二分量信号的第二分量输出端，第三端(90 和第四端(904)均与Mgnac干涉环进行通信；所述的第一分量信号与第二分量信号在Mgnac干涉环上的运行方向相反。
6.如权利要求5所述的基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器，其特征在于所述的第二耦合器(8)是分光比为10 90的三端口光功率耦合器，第一端(801)为90%输入端，与信号光输入光路的输出端连接；第二端(802)为10%输入端，与第一耦合器(9)的第三端(903)或第四端(904)连接；第三端(803)为用于输出耦合信号的输出端，与高非线性色散平坦光纤(10)进行通信。
7.一种基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换方法，其特征在于设置Mgnac干涉环，所述的Mgnac干涉环包括高非线性色散平坦光纤(10)、第一耦合器(9)、第二耦合器(8)和至少一个偏振控制器(11)，第二耦合器(8)设置在高非线性色散平坦光纤(10)与第一耦合器(9)之间的Mgnac干涉环上；接收经过偏振态和功率调整的待变换的信号光进入第二耦合器(8)；接收经过偏振态和功率调整的连续光进入第一耦合器(9)，所述的连续光的波长与目标变换的波长相同，在Mgnac干涉环中将连续光分成顺时针分量和逆时针分量；第一耦合器(9)的顺时针分量或逆时针分量与第二耦合器(8)接收的信号光耦合后输入到高非线性色散平坦光纤(10)中，产生相位调制信号；相位调制信号与逆时针分量或顺时针分量同时到达第一耦合器(9)，从第一耦合器(9)中输出变换了波长的信号光和原波长信号光。
8.如权利要求1所述的基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换方法，其特征在于变换过程中，调整偏振控制器(11)，使Mgnac干涉环的输出信号最强。
9.如权利要求1所述的基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换方法，其特征在于将从第一耦合器(9)中输出的变换了波长的信号光和原波长信号光输入到滤波器(12)，得到变换了波长的信号光。
全文摘要
本发明涉及一种基于高非线性色散平坦光纤的宽带波长变换器，具有信号光输入光路、连续光源、连续光输入光路和Sagnac干涉环，Sagnac干涉环包括高非线性色散平坦光纤、将连续光传递到Sagnac干涉环的第一耦合器和将待变换的信号光与第一耦合器输出的连续光耦合并传递到Sagnac干涉环的第二耦合器。还涉及本发明的宽带波长变换器的变换方法，第二耦合器接收待变换的信号光；第一耦合器接收连续光，连续光波长与目标变换的波长相同，从第一耦合器中输出变换了波长的信号光和原波长信号光。本发明能实现波长间隔为50nm以上的波长转换；响应速度快，理论上可达飞秒量级；Sagnac干涉环的环长只有10m，结构紧凑，节约成本；功耗低。
文档编号G02F1/35GK102566194SQ20121003888
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日
发明者唐斌 申请人:常州大学