准相位匹配 PPLN 波导全光开关特性研究.doc

精品论文推荐准相位匹配 ppln 波导全光开关特性研究王锦仁 1，周忠祥 21 石家庄铁道学院四方学院基础部，石家庄 (051132)2 哈尔滨工业大学物理系，哈尔滨 (150001)e-mail: 摘要：本文利用一种具有半圆形极化畴结构的 ppln 晶体，在慢变振幅近似条件下，基于 二阶非线性效应并考虑到控制光和信号光简并二波耦合时周期性极化铌酸锂波导内的耦合模方程，用数值方法对小信号时相位失配情况下的全光开关特性进行了研究，分析了由于光 栅周期、晶体温度和控制光波长变化引起的相位失配对输出的信号光功率的影响，并给出了 输出信号光功率与控制光功率之间的关系曲线。发现在相位失配的情况下增大控制光的功率可以达到信号光的关断，具有较好的开关特性。关键词：二阶非线性；光开关；简并二波耦合；准相位匹配； ppln中图分类号：o4371. 引言全光开关的研究日益成为全光通信领域关注的焦点，光开关是光网络中完成全光交换的 核心器件，以光控光可以摆脱目前光通信网络中光-电-光的繁琐转换，实现宽带、高速的大 容量的交换，满足全光通信网的要求。基于准相位匹配和频与差频级联二阶非线性效应的波 导全光开关具有全光透明性，且速度快、噪声低、无啁啾、所需控制光功率小并保持着互作 用光波的强度和相位信号等优点1-7。kanbara等人2和paramesweran等人3分别于1999年和2000报道了在周期性极化铌酸锂钛扩散光波导中利用级联二阶非线性效应实现了光控全光开关，薛挺等人1于2002年对周期性极化铌酸锂波导全光开关进行了理论分析。目前对 ppln 光开关的研究大多是利用不同波长的光进行控制，这样就需要两个不同波 长的激光光源，本文设想利用同一个波长的光进行控制，利用一种具有半圆形极化畴结构的 ppln 晶体，这种半圆形极化畴结构的晶体可以使输出光具有更大的接收角8。从 maxwell 方程出发，给出了在慢变振幅近似条件下，基于二阶非线性效应并考虑到控制光和信号光简 并二波耦合9时周期性极化铌酸锂波导内的耦合模方程，用数值方法对小信号时相位失配情 况下的全光开关特性进行了研究，分析了由于光栅周期、晶体温度和控制光波长变化引起的 相位失配对输出的信号光功率的影响，并给出了输出信号光功率与控制光功率之间的关系曲 线。2. 理论分析基于二波耦合和二阶非线性效应的全光开关示意图如图1所示。在z切铌酸锂晶体上用外 加电场极化法制作半圆形畴反转光栅9，然后制作退火质子交换光波导，具有相同频率的信 号光与控制光以一定夹角同时从光波导一端耦入，特定情况下在晶体内部会发生倍频、差频 以及二波耦合，这样就可以通过调节控制光的功率大小来控制信号光的有无。图 1 光开关示意图- 5 -在慢变振幅近似条件下，基于二阶非线性效应，考虑到控制光和信号光简并二波耦合，并忽略信号光、控制光和倍频光的传播损耗，由 maxwell 方程组可以得到 ppln 内的耦合模 方程为： e ( z ) 2kn e ( z ) e( z ) e * ( z )23 1 = id effe * ( z ) e( z ) e i kz i 01 e i 1 2 2 （1） z 1 n12 n0 c o s i 0 e ( z ) 2kn e ( z ) e( z ) e * ( z ) 2 = id effe * ( z ) e( z ) e i k z i 01 e i 1 2 1 （2） z 2 n 2 e ( z )2 n 0 c o s i 02 d（3）1 33= i zef f 3 n 3e 1 ( z ) e 2( z ) e i k z式中： e1 ， e2 ， e3 分别为信号光，控制光，倍频光的光场振幅； n1 ， n2 ， n3 分别为 号光，控制光，倍频光的为模折射率，它们是波长和温度的函数， n0 和 n01 分别为折射率 n调制的零阶和一阶项，deff 为有效非线性系数， 为折射率相位栅对于干涉条纹的空间相位移， i0 =周期。22e1 + e22， 2 为 k1 、 k2 之间的夹角， k = k3 k2 k1 ， 为极化反转倍频小信号 近似下 ，1 = 2， 3 =11 ，2n0 = n1 = n2， k = 2 n1 ，设 1e2 ( z)e2 (0) e1 (0) ， e2 (z ) e3 (z ) ，并忽略控制光的转换损失，即= 0 ；取z= 2，即相位栅相对于干涉条纹的空间相位移为，此时式（1）（3）变为：2e1 ( z ) = i 2 deff23e (0) e( z ) eikz n01e1 ( z )（4）z1n11 cose3 ( z )2 deff= ie ( z ) e(0) eikz（5）zk = k3 n33 2k112 2（6）下面将在利用数值方法求解周期性极化铌酸锂晶体波导内耦合模方程（4）和（5）的基 础上，讨论由于极化反转光栅周期、晶体温度和控制光波长的误差所引起的相位失配时的全 光开关特性。3. 相位失配时全光开关特性研究3.1 由极化反转光栅周期 引起的相位失配在图 2 中给出了晶体温度为 t=27，信号光波长为 1=1.064m，控制光波长为 2=1.064m，当极化反转光栅周期 偏离相位匹配 qpm=6.7858m 分别为 =0.3nm 和 =0.6nm，相互作用长度分别为 l=15mm 和 35mm 时，信号光功率 p1 与控制光功率 p2 之 间的的变化关系。图 2 输出信号光功率 p1 与输入控制光功率 p2 之间的关系曲线: (a)l=15mm, (b)l=35mm.由图 2 可以看出，极化光栅周期偏离值 一定时，相互作用长度 l 越大，信号光达到第一次谷值时所需控制光的功率越小；相互作用长度 l 一定时，极化光栅周期偏离值 越 大，信号光达到第一次谷值时的功率越大，但是仍然可以通过增大控制光功率和相互作用长 度使输出信号光功率达到关断状态。3.2 由晶体温度 t 引起的相位失配在图 3 中 3 给出了信号光波长为 1=1.064m，控制光波长为 2=1.064m，极化反转光 栅周期 =6.7858m,当晶体温度偏离相位匹配时 tqpm=27分别为 t=0.3和 t=0.5， 相互作用长度分别为 l=15mm 和 35mm 时，信号光功率 p1 与控制光功率 p2 之间的的变化关 系。图 3 输出信号光功率 p1 与输入控制光功率 p2 之间的关系曲线: (a)l=15mm, (b)l=35mm.由图 3 可以看出，晶体温度偏离值 t 一定时，相互作用长度 l 越大，信号光达到第一 次谷值时所需控制光的功率越小；相互作用长度 l 一定时，晶体温度偏离值 t 越大，信号 光达到第一次谷值时的功率越大，但是仍然可以通过增大控制光功率和相互作用长度使输出 信号光功率达到关断状态。3.3 由控制光波长 引起的相位失配在图 4 中给出了信号光波长为 1=1.064m，极化反转光栅周期 =6.7858m,晶体温度为 t=27，当控制光波长偏离相位匹配时 qpm=1.064m.分别为 =0.02nm 和 =0.03nm， 相互作用长度分别为 l=15mm 和 35mm 时，信号光功率 p1 与控制光功率 p2 之间的的变化关 系。图 4 输出信号光功率 p1 与输入控制光功率 p2 之间的关系曲线: (a)l=15mm, (b)l=35mm.由图 4 可以看出，控制光波长偏离值 一定时，相互作用长度 l 越大，信号光达到第 一次谷值时所需控制光的功率越小；相互作用长度 l 一定时，控制光波长偏离值 越大， 信号光达到第一次谷值时的功率越大，但是仍然可以通过增大控制光功率和相互作用长度使 输出信号光功率达到关断状态。4. 结论经过分析可知本文所提出的通过调节信号光和控制光的入射条件来使它们在周期极化 铌酸锂波导内同时存在简并二波耦合和倍频与差频的级联二阶非线性效应时有更好的全光 开关特性，这为进一步提高全光开关的的性能提供了一定的理论基础。参考文献1xue ting, yu jian, yang tianxin, et al. analysis of all-optical switching in periodically poled linbo3waveguidej. acta phys. sin. 2002, 51(7): 152115292yamada m, nada n, saition m et al. first-order quasi-phase matched linbo3 waveguide periodically poled by applying an external field for efficient blue second-harmonic generationj. appl. phys. lett. , 1993, 62(5):4354363kanbara h, itoh h, sobe m et al. all-optical switching based on cascading of second-order nonlinearities in a periodically poledtitanium-diffused lithium niobate waveguidej. ieee photon. technol. lett. , 1999, 11(3):3283304paramesweran k r,fujimura m, chou m 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in linbo3 crystal by 1.064-m laserj. acta.opt. sin. 1984, 4(9): 860864analysis of all-optical switching in ppln waveguide withphase-mismatched conditionwang jinren1, zhou zhongxiang21basic course departmen, sifang school of shijiazhuang railway institute, shijiazhuang (051132)2 department of physics, harbin institute of technology, harbin (150001)abstractthe characterization of all-optical switching is analyzed theoretically based on cascaded second-ordernonlinear and degenerate two-wave mixing in the periodically poled linbo3 (pp