（物理电子学专业论文）差频型全光波长转换技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 全光波长转换器将在未来的密集波分复用( d w d m ) 光通信网络中扮演重要的角 色，在网络互联、光交换、动态波长路由、波长再用等方面有着广泛的应用。基于准 相位匹配光波导的差频( d f g ) 型全光波长转换技术具有对信号比特率和调制形式完 全透明、相位共轭、多波长同时转换能力、极低的噪声指数等独特优点，是一种非常 有应用前景的光波长转换技术。本文对d f g 型全光波长转换技术进行了理论和实验 两方面的研究。主要内容有： ( 1 ) 阐述了全光波长转换器在未来光通信系统中的重要作用以及全光波长转换器 的常见种类，介绍了d f g 型光波长转换器的实现原理和研究现状。 ( 2 ) 在非线性光学和光波导理论的基础上建立了d f g 型光波长转换器的理论模 型，得到了描述准相位匹配光波导中光波长转换过程的简化的非线性耦合波方程组。 对波长转换过程进行了数值模拟，并对波长转换效率、转换带宽等性能指标与波导尺 寸、信号与泵浦功率、信号与泵浦波长等参数之间的关系进行了计算与分析。 ( 3 ) 实验研究了基于周期性域反转型铌酸锂( p p l n ) 光波导的1 5 5 9 m 波段的d f g 型光波长转换。设计和实现了几种不同的实验方案，尤其是基于e d f a ( 掺饵光纤放 大器) 的可调环形腔自泵浦的结构方案，获得了较为理想的单波长转换和多波长同时 转换的实验结果，并对波长转换效率和转换带宽进行了测试与分析。 ( 4 ) 针对d f g 型光波长转换器泵浦带宽较窄的问题，提出与论证了一种新颖的通 过向准相位匹配光栅中引入恰当分布样式的7 c 相移域来增加泵浦带宽与调谐能力的方 法。 关键词：光波长转换差频光波导准相位匹配 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r t e r s ( a o w c s ) w i l lp l a yk e yr o l e si nf u t u r ed w d m o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，s i n c et h e yc a l lm a k em a n yu s e f u la p p l i c a t i o n ss u c ha s n e t w o r k si n t e r c o n n e c t i o n ，o p t i c a le x c h a n g e ，d y n a m i c w a v e l e n g t hr o u t i n g ，w a v e l e n g t hr e u s e a n ds oo n a l l o p t i c a l w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do nd i f f e r e n c ef r e q u e n c yg e n e r a t i o n ( d f g ) i nq u a s i p h a s e m a t c h i n g ( q p m ) o p t i c a lw a v e g u i d e si s av e r yp r o m i s i n go p t i c a l w a v e l e n g t h c o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , p o s s e s s i n gm a n yu n i q u e a d v a n t a g e s s u c ha s s t r i c t t r a n s p a r e n c y t ot h er a t ea n dm o d u l a t i o nf o r m a to fs i g n a l s ，p h a s e c o n j u n c t i o n ，m u l t i p l e c h a n n e l ss i m u l t a n e o u sc o n v e r s i o n a b i l i t y , v e r y l o wn o i s e f i g u r e e t c t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nd f g b a s e d a l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ( d f g a o w c ) t e c h n o l o g yi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so fa o w c si nf u t u r eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a n ds e v e r a lu s u a lt y p e so fa o w c sa r ea d d r e s s e d t h ep r i n c i p l e sa n dl a t e s tr e s e a r c h p r o g r e s s e so f d f g - a o w ca r ei n t r o d u c e d ( 2 ) t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fd f g - a o w ci sb u i l tb a s e do nn o n l i n e a ro p t i c sa n d o p t i c a lw a v e g u i d et h e o r i e s ，a n dt h en o n l i n e a rc o u p l e m o d ee q u a t i o n sd e s c r i b i n gt h eo p t i c a l w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n p r o c e s s e s i n q p mw a v e g u i d e s a r e d e r i v e d f u r t h e r m o r e ，t h e w a v e l e n g t hc o n v e r s i o np r o c e s s e sa r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i p so ft h e w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y a n dc o n v e r s i o nb a n d w i d t hw i t ht h e w a v e g u i d e d i m e n s i o n s ，p u m pa n ds i g n a lp o w e r ) p u m pa n ds i g n a lw a v e l e n g t he t c a r en u m e r i c a l l y c a l c u l a t e da n d a n a l y z e d ( 3 ) d f go p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nb a s e do nap e r i o d i c a l l yp o l e dl i n b 0 3 ( p p l n ) w a v e g u i d e i s e x p e r i m e n t a l l y r e s e a r c h e d s e v e r a ld i f f e r e n t e x p e r i m e n t a l s c h e m e sa r e d e s i g n e da n dd e m o n s t r a t e d ，e s p e c i a l l yt h es e l f - p u m p i n gs c h e m eu s i n ge d f a ( e r 3 + d o p e d f i b e ra m p l i f i e r ) - b a s e dt u n a b l er i n gc a v i t ys t r u c t u r e g o o de x p e r i m e n t a lr e s u l t so fb o t ht h e s i n g l e w a v e l e n g t hc o n v e r s i o na n dm u l t i - w a v e l e n g t hs i m u l t a n e o u sc o n v e r s i o na r eo b t a i n e d ， a n dt h ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dc o n v e r s i o nb a n d w i d t ha r em e a s u r e da n d a n a l y z e d a sw e l l ( 4 ) t os o l v et h en a l t o wp u m pb a n d w i d t hp r o b l e mo fd f g a o w c s ，an o v e ls c h e m ei s p r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e di n d e t a i lt oe n h a n c et h ep u m pb a n d w i d t ha n dt u n a b i l i t y b y i n t r o d u c i n gp r o p e r l yd i s t r i b u t i n gf o r m a t so f n - p h a s es h i f t i n gd o m a i n si n t ot h eq p m g r a t i n g s k e y w o r d s ：o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n d i f f e r e n c e f r e q u e n c yg e n e r a t i o n ( d f g ) o p t i c a lw a v e g u i d eq u a s i p h a s e - m a t c h i n g ( q p m ) i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章将介绍光波长转换器在未来的光通信系统中的重要地位与作用，以及光波长 转换器的常见种类及概况，接着阐述差频型光波长转换器的实现原理和国内外研究发 展状况，最后介绍本论文的主要工作。 1 1 全光网络与光波长转换器 1 1 1 研究光波长转换器的意义 现代通讯正朝着宽带化、综合化、数字化和智能化的方向发展，光纤通讯以其无 与比拟的高速率、低损耗等优点成为现代通讯的主要手段。今天的公用通讯网上所采 用的单模光纤每根能够提供潜在的超过5 t h z 的巨大带宽。然而由于信号光的调制、 接收、色散等以及一些实际情况的限制，目前的光纤通讯系统实际达到的传输容量远 小于石英光纤的潜在能力。为简单有效地充分利用石英光纤巨大的潜在带宽，密集波 分复用( d w d m ) 技术被提出和广泛地采用【lj ，所谓波分复用是指在一根光纤中同时 传输若干路不同波长且间隔适当的光信号，它们所携带的信息是相互独立的，从而使 同一根光纤信息传输的等效比特率增加若干倍。 传统的光纤通信系统承载信息交换的网络节点采用光一电一光转换，因而存在着 “电子瓶颈”效应，信号比特率的极限为1 0 2 0 g b s 。为避免“电子瓶颈”对传输速 率的影响，人们提出了全光网( a o n ) 的概念。全光网完全在光域进行信号的传输与 交换，以波长来选择路由，对数据比特率和调制形式透明，具有良好的兼容性、可升 级性和可扩展性u 】。 光波长转换器能实现信息从一个波长的光载波到另一个波长的光载波的复制， 它是将来全光网和宽带d w d m 系统中不可缺少的关键器件，在网络互联、光开关、 光交换、波长路由、波长再用等方面有着广泛的应用，近年来成为国内外的研究热点。 在d w d m 光通信系统中随着单信道速率的提高，单靠电路网络管理技术必然会 造成整个网络的复杂性和运行成本的提高。而使用全光波长转换器则能实现全光波长 变换和开关、动态路由选择以及光交叉连接( o x c ) ，并且可以解决网络信道拥塞的 问题，能将某一业务拥挤、阻塞或是暂时失效的波长信道上的信号转移到另一波长信 道上，从而提高网络的效率和可靠性，使d w d m 网络的管理更加灵活、合理。同时， 使用波长转换器能有效地减少d w d m 网络中所需波长的数量和精度。它能在网络的 华中科技大学硕士学位论文 不同结点处重复使用某一波长，以提高波长的利用率和整个网络的运行效率。口5 】由此可 见，波长转换器在未来的d w d m 全光通信网络中有着重要的地位与作用，研究与开发 满足实用化要求的全光波长转换技术是项非常有意义的课题。 1 1 2 光波长转换器的常见种类及研究概况 光波长转换器可分为光电光型波长转换器和全光波长转换8 ( a o w c ) 。光电光型 波长转换器是将原来的光信号进行探测并转换为电信号，再利用此电信号去重新调制 新的波长的激光器，从而实现信号的波长变换。光电光型波长转换器技术上已较为成 熟，工作稳定，已经在目前的光通信系统中被广泛采用，有成熟的商业产品，具有信 号的整形和再生功能，转换效率高，动态范围大。缺点是引入了光电光过程，结构 装置复杂，灵活性差，成本随速率和元件数增加，功耗商，对信号码型和速率不透明， 因而在w d m 系统中的应用受到很大限制。与之相比，全光波长转换器避免了光电转 换过程，完全在光域内实现信息在波长信道之间的切换，透明性好，满足全光通信网 络的要求，因而具有更好的发展前景。 全光波长转换器近年来是国际上的研究热点，技术上尚不成熟，按实现机理可以 分为以下几种：交叉增益调制型( x g m ) 、交叉相位调制型( x p m ) 、电吸收调制型 ( e a m ) 、四波混频型( f w m ) 、差频型( d f g ) 等。这几种不同的波长转换技术各 有优缺点。一般说来，满足未来光通信系统的全光波长转换器应具有如下特征： 高转换效率，且偏振不敏感： 可转换波长范围大，且转换谱平坦； 对信号的比特率和调制形式透明( 至少可达1 0 b i t s ) ； 输入信号的功率动态范围大； 转换后信号无明显的消光比、信噪比的劣化，啁啾小； 具有多波长同时转换的能力； 易于集成与模块化，性能可靠，成本低； 下面分别简要介绍几种常见的全光波长转换技术，并比较它们的优缺点。 ( 1 ) 交叉增益调制型光波长转换器( x g m - a o w c ) 一般都是基于半导体光放大器( s o a ) 来实现。基本原理是将较大功率输入信号 光和较微弱的探测光同时注入到s o a 中，强度调制的输入信号光使s o a 载流子密度 和增益受到调制，当为“0 ”信号时，较弱的探测光得到较大的增益，输出为“1 ”信 华中科技大学硕士学位论文 号；而当输入信号光为“1 ”时，在增益放大的过程中消耗了大量的载流子，使放大 器深度饱和，因而探测光的增益被大大抑制，输出为“0 ”信号。此种技术在国内外 都曾经被广泛研究过【6 ”，它的优点是实现简单，转换效率高，主要缺点是转换后信 号会有显著的消光比和信噪比恶化，啁啾明显，转换后信号与原信号反相，转换速率 受s o a 载流子恢复速率的限制，并且由于能带填充效应的逆效应，波长上转换效果 不好。目前较好的研究成果是：英国的b f i s t o l 大学的m f c s t e p h e n s 等利用集成的 s o a 和d f b 激光器实现了4 0 g b i t s 的交叉增益调制型全光波长转换，极大提高了转 换输出性能【8 ，9 l ；1 9 9 8 年英国的a d e l l i s 等人利用光纤光栅与2 m m 长的s o a 相结 合首次实现了1 0 0 g b s 的交叉增益调制型全光波长转换【l “。 f 2 ) 交叉相位调制型光波长转换器( x p m a o w c ) 光强度的改变可以引起非线性介质的折射率的改变，而折射率的变化会引起耦合 进非线性介质中的连续光的相位变化，再采取某种结构将相位的变化转变成强度的变 化就构成了交叉相位调制型全光波长转换器。x p m a o w c 一般基于m z i ( m a c h z e h n d e ri m e r f e r o m e t e r ) 结构或m i ( m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r ) 结构，非线性介质常采 用s o a ，也可采用非线性环形镜( n o l m ) j 结构。x p m 。a o w c 有不少显著优点： 简单易行，集成性好，在波长转换的同时实现2 r 再生，波长转换范围宽等。主要缺 点是输入信号光的动态范围比较严格，这很好理解，因为输入信号光的功率变化直接 影响位相调制大小。目前8 0 g b i t s 的交叉相位调制型光波长转换已经被报道【1 2 1 ，a l c a t e l 公司的研究也取得了一些实用化成果【l3 ，“】。总体说来，x p m 型a o w c 被研究开发得 较早，技术上较为成熟，转换速率至少可达到2 0 g b i t s 。 ( 3 ) 非线性混频型光波长转换器 非线性混频型光波长转换器的基本原理是将信号光和高功率的泵浦光一同注入 到某种非线性介质中，通过非线性光学效应来产生新的波长的光场，它完全复制了信 号光的强度和相位信息，从而实现了全光波长转换。非线性混频型光波长转换器包括 四波混频( f w m ) 型和差频( d f g ) 型两种：f w m - a o w c 基于的是三阶非线性光 学效应，通常采用光纤或s 0 “1 6 _ 1 9 1 作为非线性光学介质；d f g a o w c 基于的是二 阶非线性差频效应，通常采用非线性材料制备的准相位匹配光波导作为非线性光学介 质，它是一种较新颖的光波长转换技术，也是本文的研究对象，我们将在下节中详细 介绍它的基本原理和研究发展现状。非线性混频型光波长转换器的主要优点是对信号 比特率和调制形式完全透明、具有多波长同时转换能力、能实现中途谱反转等。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 其它类型的全光波长转换器 基于激光器的光波长转换器也很常见。工作机理是激光介质的增益饱和效应。对 于一个在闽值以上工作的激光器，当有波长位于激光介质增益谱范围内的外部光注入 到其腔内时，由于增益饱和效应，在激光器振荡波长处的增益将降低，当注入光功率 达到一定程度使增益小于损耗时，激光振荡被抑制，仅有自发辐射存在，输出功率极 小。这样，某一波长的幅度调制信号注入到激光器时，激光器输出就相应被调制，从 而将幅度调制信息转移到激光器输出波长上，实现波长转换功能。它的突出优点是结 构简单、转换效率高、2 r 再生( 整形，消光比改善) 等，缺点是转换速率有限( 一 般小于1 0 g b s ) 、转换后数据格式反转、输入信号功率动态范围小等。y a s a k a 等利用 超结构光栅d b r 激光器实现了1 0 g b s 的9 0 n m 范围内可调谐的波长转换【2 0 1 此外，n a a w a 等在o f c 9 7 上还报道过一种新颖的电吸收调制型光波长转换器 2 1 1 ，它利用信号光改变电吸收调制器中的光生载流子饱和来控制探测光的通断，从而 实现强度调制的波长转换，转换速率达到4 0 g b s 由上可见，光波长转换器的实现技术很多，各有优缺点。全光波长转换器是未来 的必然发展方向，但目前技术尚不成熟，还难以达到未来光通信网络对光波长转换器 的要求。因此，研究具有理想特性的全光波长转换技术是一项很有意义的工作。 1 2 差频型光波长转换器介绍和国内外研究发展概况 i 2 1差频型光波长转换器发展历程和基本介绍 光学晶体中的二阶非线性效应早已被证实并和深入研究，如倍频效应、参量振荡 器等已在激光技术中得到广泛的应用。二阶非线性光学效应包括三种：倍频效应，和 频效应( s f g ) ，差频效应( d f g ) 。要在光学晶体中产生高效率的二阶非线性效应，实 现相互作用的光场间的相位匹配是关键所在，传统方法是利用各向异性晶体的双折射 特性，使参与作用的三束光波具有不同的线偏振态，通过改变入射角度和温度来调节 它们在晶体中的传播常数，从而实现相位匹配。但是这种方法有很大的局限性，只适 用于具有本征双折射的各向异性材料，并且对于光波导来说这种方法不可行。 j a a r m s t r o n g 于1 9 6 2 年首先提出了在光学材料中实现有效二阶非线性光学效应 的准相位匹配( q p m ) 理论 2 2 】，s a s s o ns o m e k h 于1 9 7 2 年对周期性调制光波导的二阶 非线性系数来实现准相位匹配的理论作了进一步论述 2 3 1 ，使得在各种材料制备的光波 导中实现高效率的二阶非线性效应成为可能。但是由于准相位匹配( q p m ) 光波导的 4 华中科技大学硕士学位论文 制作难度大，工艺不成熟，很长一段时间都主要停留在理论阶段，直到8 0 年代末， e j l i m 等才报道了采用扩t i 法成功地制备了周期性域反转的l i n b 0 3 ( p e r i o d i c a l l y p o l e dl i n b 0 3 ，简称p p l n ) q p m 光波导，并利用它产生了较高效率的倍频效应【2 4 1 。 此后各种工艺制备q p m 光波导的技术不断发展以来，使q p m 技术成为目前在非线性 光学领域广泛采用的一项技术。9 0 年代后随着w d m 光通信技术的发展，基于二阶非 线性差频效应( d f g ) 的全光波长转换技术被提出来，并逐渐受到研究者的重视，c q x u 于1 9 9 3 年首次报道了基于p p l n 光波导的d f g 效应的1 5 p , m 波段全光波长转 换技术【2 5 】。下面对d f g 型光波长转换器作一基本介绍。 图1 1d f g - a o w c 的基本结构 图1 1 是d f g 型光波长转换器的基本结构示意图。高功率的泵浦光( ，o 7 7 9 r n 波段) 和信号光( 。，1 5 5 1 t m 波段) 耦合后进入到q p m 光波导中，产生高效率的 二阶非线性差频效应，光场之间发生能量的转移，每湮灭一个高频光子，就产生两个 低频光子，所产生的新光场( 转换光，也称差频光或空闲光，频率用；表示) 的频率 满足c o i = c o p 一。，即波长满足帆i = 咖。一帆。，它完全复制了信号光的强度和相位 信息，也位于1 5 5 i _ t r n 波段，频率转换间距为a c o = i c o s = 。一2 ( o 。，实现了波长转 换。由于不同波长的多个信号光与泵浦光之间的差频效应相互独立，可同时进行，所 以d f g a o w c 具备多波长同时转换能力。图1 - 2 给出了d f g a o w c 的光波长( 频 率) 的变换关系。由于非线性效应作用时间极短( f s 量级) ，所以d f g a o w c 对信 号速率与调制形式完全透明，理论上转换速率至少可达1 t b s 以上。此外，d f g a o w c 还具有相位共轭、噪声指数极低、可转换波长范围对光纤工作波段透明等优点。 华中科技大学硕士学位论文 信号光 转换光 图1 - 2d f g a o w c 的光波长( 频率) 变换关系 表1 1 给出了d f g a o w c 与其他几种光波长转换器的主要技术参数的对照。 表l 一1 几种波长转换技术的技术参数对照表 d f g - a o w cf w m a o w cx g m a o w cx p m - a o w c 转换速率 理论上可达1 t b s 以 1 0 g b s ，理论上可达 一般情况已报道4 0 g b s 上1 0 0 g b s 以上 4 0 g b s 透明性对信号速率和调制对信号速率和调制不透明，仅对强 不透明，仅对强 形式严格透明形式透明 度调制的数字度调制的数字 信号，速率有信号，速率有限 限，码型反转 再生能力n o n e ，但无恶化 n o n e n o n e ，恶化2 r 再生 转换带宽很宽，6 0 n m 以上窄，转换效率严重依较窄。波长上转宽，4 0 n m 以上 赖波长转换间距换效果不理想 噪声指数极低，近似为1基于s o a 的f w m 噪 较高很低，2 r 声较大 偏振敏感与波导的种类和设有无 无 性计有关，对半导体波 导无 啁啾特性啁啾反转啁啾反转高 小啁啾反转 多波长转有有无 无 换能力 频率映射 o u t2 p u m p帆t2 2 p 唯 与探测光波长与探测光波长 关系 f g s i g n a l 一t o s i 目r t a l 相同相同 6 华中科技大学硕士学位论文 由表1 - 1 中的技术参数比较可以看到与其他几种常见的光波长转换器相比，d f g 型光波长转换器具有明显的技术优势，如对信号比特率和调制形式严格透明、多波长 同时转换能力、镜像波长变换特性、噪声指数极低、很宽的转换带宽等。与另外一种 非线性混频型波长转换器f w m a o w c 相比，d f g a o w c 也具有一些独特的优点： 光学材料的二阶非线性系数e e 三阶非线性系数大得多，因此理论上具有更高的波长 转换效率，所需的非线性光学介质长度短；可转换波长范围很宽，且转换效率平坦， 不象f w m 那样转换效率严重依赖于波长转换间距；不会产生f w m 中的伴随波， 滤波方式简单：单泵浦情况下f w m 具有强烈的偏振敏感性，而基于半导体波导的 d f g a o w c 则具备偏振多样性操作能力。可见d f g _ a o w c 具有其他机制的波长转 换器不可比拟的优越性，更适合未来的全光d w d m 网络，具有良好的理论和实用前 景。研究并掌握此种波长转换技术对促进我国光通信技术达到国际先进水平无疑是十 分重要和迫切的。 1 2 2 国内外研究发展概况 自从c q x u 于1 9 9 3 年首次报道了基于p p l n 光波导的1 5 p , m 波段的d f g 型光 波长转换器后【2 5 1 ，越来越多的科研机构和研究者开始进行d f g - a o w c 技术的研究发 展，并致力于开发各种各样的q p m 波导的制作技术。用铁电材料尤其是l i n b 0 3 制备 周期性域反转样式的l i n b 0 3 ( 简称p p l n ) 光晶体或光波导是最成熟实用的技术，已 报道的方法包括扩t i 法 2 4 】、喷镀s i 0 2 加热法【2 6 】、电子束扫描法【2 7 】和外加电场极化法 【28 ，”】等。目前比较成熟的技术是采用外加电场极化法制备z 切p p l n 光波导。l i n b o ， 是典型的铁电材料，当外加足够强度的电场时，其电畴的方向能发生改变，利用这种 性质在l i n b 0 3 晶体表面刻蚀制作出符合准相位匹配周期的金属电极，再在电极上施 加一系列合适的脉冲电压，即可使晶体电畴呈周期性正反分布。国外研究者采用p p l n 光波导已经获得了一系列的d f g 型光波长转换实验结果，一般采用t i 宝石可调激光 器产生o 7 7 9 r n 波段的泵浦光，获得的波长转换效率可超过一1 0 d b ，转换带宽超过 6 0 n m 口o ，3 1 1 1 9 9 8 年开始grb a n f f 等人又提出和实现了基于p p l n 波导的级联- 阶 非线性效应型光波长转换 3 2 - 3 4 】，不再采用o 7 7 1 x m 波段的泵清光，而是使用1 5 5 9 m 波 段的经e d f a 放大的单模激光作为初始泵浦源，在p p l n 波导中先进行倍频转换，再 与信号光发生差频作用实现波长转换，从而简化了对元件设备的要求。 同时，近年来基于a 1 g a a s 等半导体材料光波导的d f g a o w c 的研究也开始兴 华中科技大学硕士学位论文 起，例如，s j b y o o 等人采用晶片胶合法制备了周期性域反转型a 1 g a a s 光波导， 成功地实现了1 5 5 9 r n 波段的d f g 型光波长转换，转换带宽达到约9 0 n m ，采用t i 宝 石激光器作泵浦时转换效率达n - 1 7 d b ，并验证了多波长同时转换 3 5 - 3 7 】；此外，s h i n j i k o h 等人也提出了采用子晶格反转外延法来制备周期性域反转型a 1 g a a s 光波导【3 8 1 。 但总的说来，由于准相位匹配半导体光波导的制备技术目前很不成熟，损耗很大，转 换效率较低，实验效果并不理想。 在q p m a o w c 的网络应用方面，n a n t o n i a d e s 和s j b y o o 等人提出了利用 q p m a o w c 的镜像波长变换特性来构建波长互换交叉连接节点( w i x c ) ，大大简化 了光交换节点的结构 3 9 4 0 1 。 此外，d f g a o w c 在皮秒光开关和高速光信号处理领域也有重要应用。例如， g s k a n t e r 等人利用p p l n 光波导构建了波长可选择的脉冲操作的全光开关，开关操 作时间只有5 p s 【4 l 】；m c c a r d a k l i 等人采用d f g - a o w c 实现了全光时隙交换，显示 了d f g a o w c 在光时分复用( o t d m ) 领域的良好应用前景【4 2 】。 1 3 本文的主要工作 全光波长转换器是未来d w d m 网络的关键性器件，基于二阶非线性光学效应的 差频型光波长转换器( d f g - a o w c ) 具有对信号速率和调制形式完全透明、多波长 同时转换能力和镜像波长变换特性、噪声指数极低、可转换波长范围宽等许多独特优 点，特别适合于未来的全光d w d m 网络，具有良好的理论和实用前景。然而目前国 内在此领域的研究基本上是空白。在国家自然科学基金的资助下( 资助号6 0 1 7 7 0 1 5 ) ， 我们开展了对d f g a o w c 的研究。本文围绕基于准相位匹配光波导的d f g 型全光 波长转换技术进行了较深入的理论和实验研究，具体内容如下： 第一章为绪论，介绍了全光波长转换器在未来的光通信系统中的重要地位与作 用，以及全光波长转换器的常见种类，并阐述了d f g a o w c 的实现原理和国内外研 究发展概况。 第二章对d f g - a o w c 进行了理论研究。阐述了差频技术和准相位匹配技术，建 立了d f g - a o w c 的理论模型并进行了分析。接着用数值模拟的方法对波长转换过程 进行了计算和分析，并对波长转换效率、转换带宽等性能指标与波导尺寸、信号与泵 浦功率、信号与泵浦波长等参数之间的关系进行了数值计算与分析。 第三章对d f g a o w c 进行了的实验研究。论述了实验方案，对转换效率、转换 8 华中科技大学硕士学位论文 带宽、多波长转换性能进行了实验测试与分析，显示了d f g a o w c 不同于其他波长 转换器的一些特性，验证了理论研究的结果。 第四章针对d f g a o w c 的重要技术问题泵浦带宽的改善方法，提出与论证 了一种新颖有效的通过向准相位匹配光栅中引入恰当分布样式的兀相移域来增加泵清 带宽与调谐能力的方法。 第五章总结了课题的研究工作。并在最后列出了参考文献和攻读硕士学位期间发 表的学术文章。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 差频型光波长转换器的理论研究 差频型全光波长转换器( d f g a o w c ) 的实现原理是使输入信号光与特定波长 的泵浦光在准相位匹配光波导中产生高效的二阶非线性差频效应，获得完全复制了信 号光信息的不同波长的新光场，从而实现波长转换。本章首先阐述了差频技术和准相 位匹配技术，然后在非线性光学和光波导理论的基础上建立了d f g a o w c 的理论模 型并进行了分析。接着用数值计算的方法对波长转换过程进行了数值模拟，并对波长 转换效率、转换带宽等性能指标与波导尺寸、信号与泵浦功率、信号与泵浦波长等参 数之间的关系进行了数值计算与分析，对d f g a o w c 的设计和优化提供了理论依据。 2 1 基本原理 2 1 1 介质中的二阶非线性差频光学效应4 3 】 在描述光波场与电介质的的相互作用时，常引入一个重要的物理量极化强 度矢量芦。强度较弱的光场与物质相互作用时，物质对光场基本成线性响应，用极化 强度矢量表示为户= e o z ，重描述，此时产生的各种光学现象，如折射、散射、吸收等， 与入射光场呈线性关系，单一频率的光波在介质中传播时的频率不变，这即是线性光 学内容。激光的出现使我们得以发现和研究物质对光场的非线性响应。在激光辐射场 作用下，介质的极化强度p 包括线性项与非线性项之和，即 只( m ) = p l + 目l = z 口( 珊) e j ) + z u k 1 ，埘2 ) e j ( c o i 圾沏2 ) ( 2 l - 1 ) ，s k + z 0 n ( ( 0 1 ，c 0 2 ，a j 3 ) e s ( m 1 ) 6 k ( c o s ) e l ( ( 0 3 ) + 式中鼬 ) 是线性极化率张量，z 砸( 叻，0 3 2 ) 是二阶非线性效应对应的三阶非线性 极化率张量，式中的；r g k ( c a l ，埘2 ) e j ( c a l ) g k ( c a 2 ) 代表了二阶非线性效应部分，它包括 了倍频、和频及差频几种形式，三种不同频率的光场发生相互作用和能量转化，它们 之间要满足m a n l e y - r o w e 关系( 能量守恒关系) 。当甜l - 吐是倍频过程，在本文的研 究率中我们要讨论的是差频( d f g ) 过程：将一束较高功率的高频率激光( 泵浦光， 频率为c o p ) 和一束低频率激光( 信号光，频率为c o 。) 同时注入到一块非线性晶体或 波导中，在非线性效应的作用下产生新频率的光场( 差频光，文中也称转换光或空闲 1 0 华中科技大学硕士学位论文 光，频率为0 3 f ) ，且有。= m 。一。，由m a n l e y r o w e 关系，每湮灭一个高频光子，同 时要产生两个低频光子，此过程在光场传播中持续进行，泵浦光的能量不断耦合到信 号光和差频光中，此种过程就是差频产生( d f g ) 过程，也是我们所要研究的波长转 换器的工作原理。 描述非线性介质中光波传播的波动方程为 弘弘肚嘶盯詈嘶s 害嘲争 p 司 式中a 为介质电导率，对通常的光学晶体可认为盯= 0 ，o 为真空磁导率，s 是 介电常数，且有s = s o ( 1 + z l ) ，航是线极化率张量。稳态条件下( 即参与非线性光 学过程的光场不是超短脉冲( 1 p s ) ) ，同向传播( 假设光场都沿z 向传播) 的相互作 用的三个光场为可表示为： e g ，弘z ，f ) = 扫。f ( x ，y ) e 。e x p i ( f l m z 一0 9 。f ( 2 l 一3 ) m = p ，5 ，f m = p ，j ，i 分别代表泵浦光场、信号光场和差频光场，a 。表示单位偏振矢量， f ( x ，y ) 表示横场模式分布，k 表示纵向传播常数，为分析简便起见都取基模，即 f ( x ，y ) = 1 ，则沿光场传播方向上的非线性极化强度为： p l ( z ，f ) = 勖z e f fe 置e x p ( f 饵+ 屈k ) e x p - i c o ，) + 旬z 咿日e x p o 博一层k ) - e x p ( - i c o ，f ) + g o z 够- b + - e x p o 魄一层p ) e x p ( - i c a ，r ) = 岛z 够e s e i e x p ( - i a c t o e x p ( i ( f l p z 一一) ) ( 2 - 1 - 4 ) + z 玎e p e ，+ e x p ( i a o - e x p ( f q 0 z 一0 9 。f ) ) + e o z e f f - e 乒：e x p ( i a , ) e x p ( i ( f l i z 一l 国 式中a p = 岛一殷一屈表示波矢失配，z 玎表示有效电极化率 将( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 代a n ( 2 - 1 - 2 ) ，在慢变幅度近似条件下，可推导出稳态非线性耦 合波方程 4 3 1 ： 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ； 誓= 抄 z e s e i e 冲( _ 雄) 拿：抄兰锄e p e 7e x p ( i a f l z ) o z c 警= 抄卺锄 e p e ：唧( f 应) 2 1 2 准相位匹配技术【2 2 ，2 3 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 - 6 ) ( 2 - 1 7 ) 通常情况下不同波长的光场在介质中同向传播时纵向传播常数不相同，即波矢失 配量卢0 。由于口的存在，由( 2 1 7 ) 可见，随着传播距离的增加，差频光场的幅值 e ，将呈周期性振荡( 周期为2 x l a f l ) ，不能产生有效的差频效应。从理论上来说因为 泵浦光场与信号光场、差频光场的相位不匹配，故随传播距离的改变，非线性效应产 生的差频光波与非线性极化强度尸批( c o 。，0 9 ，) 的相对相位不断产生变化，使沿途产 生的差频光波间存在位相差。当位相差为”时前一段和后一段介质产生的差频光波将 完全抵消，产生z 位相差时的传播长度为l ，= z ，通常称之为相干长度。此种过程 在光场传播的过程中不断呈周期性重复，所以即使非线性作用距离很长，最后也产生 不了有效强度的差频光。由此可见，如何弥补相位失配是实现有效的二阶非线性差频 效应的关键。 实现相位匹配( p h a s e m a t c h i n g ) 的传统方法是利用各向异性晶体的双折射特性， 使参与作用的三束光波具有不同的线偏振态，通过改变入射角度和温度来调节它们在 晶体中的传播常数，从而实现相位匹配。这种方法在激光技术中曾被广泛采用。但是 对于光波导来说，这种方法并不可行。首先这种方法只适用于具有本征双折射的各向 异性材料，更重要的是在光波导中光场是按特定的约束方式传播，耦合进光波导的光 场的传播模式和纵向传播常数由其波长决定。 在本文的研究中我们采用的是准相位匹配( q p m ) 技术，它是目前非线性光学领 域的一项热门技术。准相位匹配( q p m ) 的基本原理是沿光场传播方向以，为周期对 晶体的二阶非线性电极化率z 涩进行周期性调制，使得光场传播常数的不同所引起的 波矢失配得到周期性的补偿和校正，从而使非线性效应下产生的新光场有效迭加，不 断增强。 华中科技大学硕士学位论文 ( a ) 周期性域反转类型的准相位匹配光波导结构示意图 tc 2 l cj l c4 l c5 i c ( b ) 准相位匹配光波导中差频光场形成示意图 图2 - 1 准相位匹配的工作原理 下面通过周期性域反转结构的q p m 波导来说明q p m 的实现原理和物理意义。图 2 - 1 ( a ) 所示的是通过某种工艺技术制备的具有周期性域反转结构的q p m 光波导，沿光 场传播方向上的晶体每隔，。长度形成周期性反转，波导的二阶非线性电极化率z 盟呈 现相应的周期性正负分布。如果是普通的光波导，光场传播过程中产生的差频光强度 将呈周期性振荡，如图2 - l ( b ) e p 的曲线a 所示。对波导引入了周期性反转结构后，造 成非线性电极化率的周期性反转，等效于在两个相邻的l ，区域之间引入了z 的相变， 两个区域里产生的差频光不再相消而是相长，此过程连续下去，随着光场传播长度的 增加差频光强度也不断增强，如图2 1 中的曲线b 所示。 概括地说，准相位匹配( q p m ) 技术的主要优势是： ( 1 ) 通过人为合理控制介质非线性系数的调制周期，可以实现理想的非线性相 华中科技大学硕士学位论文 位匹配，使变频输出光的能量达到实际应用要求； ( 2 ) q p m 不要求正交光束，这意味着非线性系数不再必须是非对角张量元，可 充分利用非线性介质的最大非线性系数； ( 3 ) q p m 是非临界相位匹配，不存在走离效应，对入射角要求低，泵浦光、信 号光和差频光能严格限制在波导中传输，因此功率密度高，能获得高效的二阶非 线性效应； ( 4 ) 只需在非线性晶体中设计制造出各种不同的周期性畴结构，通过改变畴结 构周期和晶体温度就能十分方便地实现输出光波长的可调谐，