[发明专利]一种级联和频与差频全光波长转换器及转换方法

说明书

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及了一种级联和频与差频全光波长转换器及转换方法，即一种基于PPLN光波导的级联和频与差频型的全光波长转换器及转换方法，主要适用于密集波分复用光通信系统。

背景技术

在光通信技术领域，需要大容量和高速率的数据传输。在光纤通信系统中，密集波分复用（DWDM）能特别显著的提高其传输容量，密集波分复用光通信系统是当前发展前途最被看好的技术。全光波长转换器是密集波分复用光通信网络的关键性能器件之一，全光波长转换器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，有助于波长再利用，有效进行动态路由选择，降低网络阻塞率，进而可以提高光网络的灵活性和可扩充性，实现开放式DWDM系统中光信号的转发。

目前常用的全光波长转换技术主要包括：交叉增益调制（XGM），交叉相位调制（XPM），激光增益饱和吸收效应，电吸收调制（EA），非线性光学环形镜（NOLM），四波混频（FWM），二阶非线性效应等。现有方案中，基于周期极化铌酸锂光波导，简称为PPLN光波导的全光波长转换技术，因PPLN光波导的二阶非线性效应具有独特的优越性，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、响应速度快，以及转换带宽很宽等，因而基于PPLN光波导的全光波长转换技术近年来受到各国科技工作者的高度重视。

目前国内外在基于PPLN光波导二阶非线性效应的波长转换方面已经开展了许多有意义的工作，主要包括基于直接差频（DFG），基于级联倍频和差频（SHG+DFG），基于级联和频与差频（SFG+DFG）等二阶以及级联二阶非线性效应的波长转换技术。但是这些技术均存在着缺陷。

DFG型全光波长转换器虽然转换效率较高，但由于其所用的泵浦光（0.775μm）和信号光（1.5μm）处于不同波段，而且相差很大，DFG型全光波长转换器难以很好地把泵浦光和信号光同时耦合进入波导，难以同时实现泵浦光和信号光在光波导内的单模传输。

基于级联倍频和差频的SHG+DFG型波长转换器解决了DFG型波长转换器遇到的困难，注入的泵浦光和信号光同处于1.5μm波段，可实现1.5μm波段的全光波长转换。但是，由于级联倍频和差频过程中泵浦光占据了信号光的波段，这是很多DWDM系统所不允许的。而且倍频（SHG）过程准相位匹配（QPM）波长处的泵浦光波长响应带宽非常窄，对于固定输入的信号光，传统的SHG+DFG型波长转换器难以实现转换闲频光的可调谐输出，而可调谐的波长转换对于增强网络管理的灵活性又是非常重要的。

基于级联和频与差频(SFG+DFG)的全光波长转换器可以同时解决DFG型和传统级联倍频和差频的SHG+DFG型波长转换器所遇到的问题。一方面所有入射光均处于1.5μm波段，另一方面即使对于固定波长输入的信号光也可以方便地实现可调谐波长转换。基于级联和频与差频（SFG+DFG）具有二阶级联非线性效应，置于信号光波段窗口的两边的第一泵浦光和第二泵浦光的波长近似关于倍频（SHG）过程准相位匹配波长对称，第一泵浦光的波长为λ₁、频率为ω₁，第二泵浦光的波长为λ₂、频率为ω₂。泵浦波长与信号波长相近容易实现最佳耦合又不会占用信号波段。调节第一、第二泵浦光，使第一泵浦光波长和第二泵浦光波长满足或近似满足和频（SFG）过程的准相位匹配条件，此时第一、第二泵浦光发生和频（SFG）反应，产生和频光，和频光波长为λ_SF、频率为ω_SF，ω_SF=ω_p1+ω_p2。与此同时，信号光（波长为λ_S、频率为ω_S）与和频光发生差频（DFG）相互作用得到转换闲频光（波长为λ_i、频率为ω_i），ω_i=ω_SF-ω_s。根据能量守恒原理，信号光，第一泵浦光，第二泵浦光，和频光以及转换闲频光的波长满足以下关系式：

SFG:1/λ_SF=1/λ_p1+1/λ_p2

DFG:1/λ_i=1/λ_SF-1/λ_s