□文/鹿建江

一、引言

眾所周知，全光波長變換是WDM光網(wǎng)絡中提供波長路由和波長再利用的關鍵技術。它利用有限的波長資源，支持不同波長之間的連接，可以增強網(wǎng)絡的重構能力和生存能力，提高網(wǎng)絡的靈活性和效率。波長轉換器件的另一個重要用途是實現(xiàn)不同光網(wǎng)絡間的波長匹配，可以把不同波長系列產品統(tǒng)一到同一波長標準上，實現(xiàn)網(wǎng)絡間的通信。隨著對波長轉換技術的研究，目前已有多種不同的技術用于實現(xiàn)全光波長轉換。基于半導體的全光波長變換器件由于非常緊湊所以很容易集成，并可以利用成熟的硅集成電路的制造方法，所以在實際當中基于半導體光放大器（SOA）的波長轉換技術得到了較為廣泛的應用。根據(jù)實現(xiàn)原理的不同，這種波長轉換器件可以利用交叉增益調制（XGM）、交叉相位調制（XPM）和四波混頻三種效應來實現(xiàn)波長變換。除此之外，利用光纖的非線性效應也可以實現(xiàn)波長轉換。目前，基于光纖中四波混頻效應的波長轉換器以及非線性光學環(huán)鏡型波長轉換器發(fā)展得很快，并且在復用、解復用、交叉連接等方面顯示了廣泛的能力。但由于需要的光纖的長度很長（1-10km），基于光纖非線性效應的波長轉換器在集成方面有較大的缺陷。還有一種基于電吸收調制器中交叉吸收調制效應的波長轉換技術在近幾年來也得到了廣泛的研究，不過此技術需要輸入信號光的功率比較高，一般要求達到16-19dBm，因此器件的效率不高，而且長期在大功率情況下工作，可靠性也不高。

相對于上面介紹的波長轉換技術而言，利用準相位匹配（QPM）技術也能夠實現(xiàn)全光波長轉換，且具有許多獨特的優(yōu)勢。它利用非線性效應產生新頻率光場來實現(xiàn)波長轉換，可完全復制原信號光的強度和相位信息，并且非線性作用響應時間極短（飛秒量級），所以是唯一嚴格意義上的對信號光速率和調制格式完全透明的全光波長轉換技術。此外，該技術還具有獨特的多波長同時轉換能力，轉換過程噪聲指數(shù)極低，轉換后波形無畸變，并且潛在的可轉換帶寬對光纖工作波段透明，所以引起了人們極大的興趣。自C.Q.Xu等人于1993年首次報道了基于PPLN光波導的差頻效應的1.5μm波段全光波長轉換技術以來，基于準相位匹配技術的全光波長轉換器逐漸受到研究者的重視。1998年開始，G.P.Banfi等人又提出并實現(xiàn)了基于PPLN波導的級聯(lián)二階非線性倍頻（SHG）+差頻（DFG）效應的波長轉換器，不再使用0.78μm波段的泵浦光，而是采用1.55μm波段的經(jīng)EDFA放大的單模激光作為初始泵浦源。利用級聯(lián)SHG+DFG效應使得所有注入波導的光波都在1.55μm波段以TM00基模形式耦合進波導，解決了0.78μm光難以與單模光纖模式耦合的難題?；诩壜?lián)和頻（SFG）+差頻（DFG）效應的波長轉換方案，由Chen和Xu等人于2004年提出，兩個泵浦源的使用提高了泵浦帶寬，同時增加了泵浦波長選擇的靈活性。隨后Yu和Gu等人又提出了雙通構型的基于級聯(lián)SFG+DFG效應的波長轉換方案，相對于單通構型而言，雙通構型轉換效率更高，而且分析過程也可以得到簡化。目前，利用準相位匹配技術實現(xiàn)全光波長轉換已成為波長轉換領域的研究熱點。因此，本文對準相位匹配技術在全光波長轉換過程中的應用作了介紹，分析了基于準相位匹配技術的全光波長轉換的基本原理和實現(xiàn)方法，并以單通SHG+DFG波長轉換器為例對基于準相位匹配技術的波長轉換實驗進行了說明，最后指出了準相位匹配技術在此領域中應用的前景和意義。

二、基于準相位匹配技術的全光波長轉換的基本原理

基于準相位匹配技術的全光波長轉換器主要是利用周期極化晶體中的二階非線性效應來實現(xiàn)波長轉換的，據(jù)此我們可以把他們分為直接基于差頻效應的波長轉換器、基于級聯(lián)二階非線性倍頻（SHG）+差頻（DFG）效應的波長轉換器和基于級聯(lián)二階非線性和頻（SFG）+差頻（DFG）效應的波長轉換器。如果再根據(jù)波長轉換過程中生成的倍頻光/和頻光在晶體里傳輸?shù)拇螖?shù)進行細分的話，基于SHG+DFG和基于SFG+DFG效應的波長轉換器又有單通和雙通兩種構型，其中單通構型波長轉換器中倍頻光/和頻光沿著通光方向只傳輸一次，而雙通構型中倍頻光/和頻光沿著通光方向傳輸了兩次。下面分別對他們的基本原理進行說明:

1、基于差頻效應的光波長轉換。差頻發(fā)生（DFG）是由一束強泵浦光ωp與一束通常較弱的信號光ω?混合，通過二階非線性極化率x（2）產生頻率發(fā)生漂移的輸出光 ωc＝ωp-ωs，生成的差頻光 ωc完全完全復制了信號光的幅值和相位信息，從而實現(xiàn)了波長轉換。圖1是DFG過程示意圖。（圖 1）

圖1 基于差頻效應的光波長轉換示意圖

在差頻過程中，相位失配△kDFG的定義為:

其中，np，ns和 nc分別為泵浦光、信號光和生成光的折射率，可以由Sellmier方程給出。λp，λs和 λc分別為泵浦光、信號光和生成光的波長，∧是極化反轉周期。

為了提高差頻轉換效率，需要相位失配越小越好。如果泵浦光和信號光的波長都已知，那么根據(jù)式（1）可以確定極化晶體的反轉周期，使相位失配為零。當泵浦光和信號光都為準連續(xù)的平面光時，差頻過程可以用下面的耦合波方程來描述。

2、基于倍頻+差頻效應的光波長轉換。圖2是基于單通構型的倍頻+差頻效應的光波長轉換示意圖。利用 x（2）∶x（2）的非線性二次級聯(lián)過程來實現(xiàn)波長變換，其頻率轉換工作機理為:首先泵浦光ωp由SHG上轉換到頻率2ωp（ωSHG），同時產生的2ωp光與信號光ωS相互作用，通過DFG過程產生波長遷移輸出ωc=2ωp-ωS。如此循環(huán)往復，基頻光波的能量借助于倍頻被轉換到差頻光波和信號光波。當基頻光功率足夠大或相互作用長度足夠長時，則可以得到放大的信號光波與轉換光波。（圖 2）

圖2 單通構型倍頻+差頻光波長轉換示意圖

除了單通構型的倍頻+差頻效應的光波長轉換之外，還有雙通構型的基于倍頻+差頻效應的光波長轉換。在雙通構型當中，泵浦光從一側入射向另一側傳輸，而信號光則在另一側和泵浦光相對入射。泵浦光發(fā)生倍頻產生頻率為2ωp的倍頻光后，當傳輸?shù)搅硪粋鹊哪┒藭r，可以被此端放置的雙色鏡反射，使2ωp的倍頻光與信號光沿相同的方向傳輸，從而也產生頻率為ωc=2ωp-ωs的生成光，從而實現(xiàn)波長轉換。在單通構型中，倍頻和差頻是同時進行的，倍頻光是一邊產生出來一邊和信號光做差頻；而在雙通構型中，倍頻過程發(fā)生在整個前向傳輸過程中，差頻過程發(fā)生在反向傳輸過程中，兩個過程是分開的，在發(fā)生差頻過程的時候，倍頻光已經(jīng)是足夠強了。也可以認為在雙通過程中，周期極化晶體被利用了兩次，所以相同條件下雙通構型的轉換效率比單通構型高，可以提高一倍左右。（圖3）

圖3 基于雙通構型級聯(lián)二階非線性SH G+D FG效應的波長轉換原理.D M:雙色鏡

3、基于和頻+差頻效應的光波長轉換。除了基于倍頻+差頻級聯(lián)二階非線性效應的光波長轉換之外，還有另一種級聯(lián)二階非線性效應光波長轉換方案:基于和頻+差頻效應的光波長轉換。在該方案中，通過和頻過程產生差頻過程所需的780nm波段的光場，所以該方案需要使用兩個泵浦源。兩個泵浦源（頻率分別為ωp1和 ωp2）首先發(fā)生和頻（SFG）過程，得到頻率為 ωSF＝ωp1＋ωp2的和頻光，然后和頻光與信號光（頻率為ωs）發(fā)生差頻過程，得到轉換后的頻率為 ωc＝ωSF＋ωs的生成光，從而實現(xiàn)了波長轉換。單通構型和頻+差頻波長轉換的原理如圖4所示。（圖4）

圖4 單通構型和頻+差頻光波長轉換示意圖

與傳統(tǒng)的基于倍頻+差頻原理的波長轉換器一樣，基于和頻+差頻級聯(lián)二階非線性效應的波長轉換器也有單通和雙通兩種構型。其中，雙通SFG+DFG波長轉換器與雙通SHG+DFG波長轉換器相比，泵浦光變?yōu)榱藘蓚€，在前向過程中發(fā)生的是和頻過程，產生的和頻光最終與信號光反向傳輸，產生生成光。

由于基于和頻+差頻效應的波長轉換器使用了兩個泵浦源，一方面對單個泵浦源的功率要求減小了，可以用兩個較小的光源產生一個原來需要較大光源才能達到的轉換效率，或者可以用兩個較大的泵浦源去獲得更高的轉換功率；另一方面使用兩個泵浦源，在非線性相互作用過程中可調節(jié)的參數(shù)增加了，可以更好地滿足實際需要。比如說，可以通過調節(jié)兩個泵浦源的波長間隔和輸入功率，在感興趣的波段產生更加平坦的轉換曲線。

三、基于準相位匹配技術的全光波長轉換

最早的基于準相位匹配技術的波長轉換器是直接利用“差頻”效應實現(xiàn)的，隨后又陸續(xù)出現(xiàn)了基于級聯(lián)二階非線性效應的光波長轉換器，相比只利用差頻效應的波長轉換效率更高，所以是目前準相位匹配技術在全光波長轉換中的主要研究方向。Chou等人利用單通構型SHG+DFG效應進行了1.5μm通信波段的波長轉換實驗。泵浦光從外腔激光器（ECL）出射后經(jīng)摻餌光纖放大器（EDFA）放大到大約300mW，經(jīng)過一個光纖布拉格光柵FBG對放大自發(fā)噪聲（ASE）進行過濾。泵浦光和四個外腔激光器輸出的信號光通過BPF耦合進入周期極化鈮酸鋰（PPLN）波導。PPLN波導的輸出端連接光功率計（OSA）和光譜分析儀對輸出信號光進行檢測，使用ECL是為了對泵浦光和信號光的波長進行調諧。（圖5）

圖5 單通SH G+D FG波長轉換實驗裝置圖

在實驗當中，光纖間的損耗大約是4.5-dB，光纖和波導之間的耦合損耗大約是1.3-dB，在PPLN波導內的傳輸損耗大約是0.35-dB/cm。為了避免光折變效應，波導的溫度設定為90℃，這使得相位匹配波長從1556nm變?yōu)?562nm。圖6是圖5所示實驗的光譜圖，實現(xiàn)了基于級聯(lián)SHG+DFG原理的四個波長同時轉換，轉換效率幾乎都相同（-15-dB），耦合入波導的泵浦光功率大約是110mW。圖6中插入的小圖顯示實驗觀察到的最高轉換效率的單波長轉換，轉換效率達-8dB。相應的泵浦光功率為175mW，工作溫度是120℃。（圖 6）

圖6 四波同時轉換光譜圖

圖7顯示了轉換后倍頻光的光譜和輸入信號光光譜是復數(shù)共軛關系，這種光譜特性可用于在傳輸中途將信號光的啁啾反轉，從而補償傳輸過程中的色散，進行色散管理。圖8顯示當信號光波長發(fā)生變化而泵浦光波長保持不變時轉換效率的變化。圓點代表測量值，實線代表其理論擬合?？梢钥闯?，3-dB轉換帶寬達到了76nm。由于光折變效應，實際測得的轉換帶寬會大于理論值。圖9顯示輸出轉換光功率和信號光功率的關系。當信號光功率在-50-dBm到0-dBm范圍內變化時，輸出倍頻光和信號光功率保持良好的線性關系。（圖 7、圖 8、圖 9）

除了使用均勻的單周期極化晶體之外，還可以對QPM晶體的極化周期進行改變，使其具有線性啁啾結構、分段結構、分段相移結構等多種結構。通過這樣一種改變，可以達到擴展波長轉換過程中的轉換帶寬的效果，從而滿足WDM系統(tǒng)中的多信道波長轉換過程對轉換帶寬的要求。

圖7 轉換光和輸入信號光的光譜圖

圖8 波長轉換效率隨信號光波長變化的實驗和擬合曲線

四、準相位匹配全光波長轉換技術的研究意義和前景

圖9 輸出轉換光功率隨信號光功率的變化曲線

全光波長轉換是WDM光網(wǎng)絡中實現(xiàn)波長路由和波長再利用的關鍵技術。它利用有限的波長資源，支持不同波長之間的連接，可以增強網(wǎng)絡的重構能力和生存能力，提高網(wǎng)絡的靈活性和效率。準相位匹配技術的出現(xiàn)為實現(xiàn)全光波長轉換提供了一種全新的可能?；跍氏辔黄ヅ浼夹g的PPLN波導適用于未來光纖通信和其他全光信號處理的應用中的混頻器件，被認為是實現(xiàn)大容量、低損耗的WDM和高速TDM系統(tǒng)的關鍵技術。幾種基于QPM－PPLN波導結構的1.5μm波段或1.3μm波段到1.5μm波段波長轉換器已經(jīng)開發(fā)成功，能夠用于光纖連接散射補償?shù)牟ㄩL變換，動態(tài)重配置和光波多通道波長轉換器，還可以作為高速時分復用系統(tǒng)中管理高速數(shù)據(jù)的全光門控混頻器。隨著對基于準相位匹配技術的全光波長轉換過程研究的全面深入，發(fā)現(xiàn)通過改變傳統(tǒng)的均勻單周期結構可以在得到幾乎相同的轉換效率前提下得到更大的轉換帶寬，從而更好地滿足了WDM系統(tǒng)多信道波長轉換過程對轉換帶寬的要求。由于基于準相位匹配技術的全光波長轉換器具有諸多無法比擬的優(yōu)點，相對于其他器件而言展現(xiàn)出更好的發(fā)展前景，我們相信其必將在波長轉換領域占有重要的一席之地。

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