基于准相位匹配技术的全光波长转换

□文/鹿建江

一、引言

众所周知，全光波长变换是WDM光网络中提供波长路由和波长再利用的关键技术。它利用有限的波长资源，支持不同波长之间的连接，可以增强网络的重构能力和生存能力，提高网络的灵活性和效率。波长转换器件的另一个重要用途是实现不同光网络间的波长匹配，可以把不同波长系列产品统一到同一波长标准上，实现网络间的通信。随着对波长转换技术的研究，目前已有多种不同的技术用于实现全光波长转换。基于半导体的全光波长变换器件由于非常紧凑所以很容易集成，并可以利用成熟的硅集成电路的制造方法，所以在实际当中基于半导体光放大器（SOA）的波长转换技术得到了较为广泛的应用。根据实现原理的不同，这种波长转换器件可以利用交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频三种效应来实现波长变换。除此之外，利用光纤的非线性效应也可以实现波长转换。目前，基于光纤中四波混频效应的波长转换器以及非线性光学环镜型波长转换器发展得很快，并且在复用、解复用、交叉连接等方面显示了广泛的能力。但由于需要的光纤的长度很长（1-10km），基于光纤非线性效应的波长转换器在集成方面有较大的缺陷。还有一种基于电吸收调制器中交叉吸收调制效应的波长转换技术在近几年来也得到了广泛的研究，不过此技术需要输入信号光的功率比较高，一般要求达到16-19dBm，因此器件的效率不高，而且长期在大功率情况下工作，可靠性也不高。

相对于上面介绍的波长转换技术而言，利用准相位匹配（QPM）技术也能够实现全光波长转换，且具有许多独特的优势。它利用非线性效应产生新频率光场来实现波长转换，可完全复制原信号光的强度和相位信息，并且非线性作用响应时间极短（飞秒量级），所以是唯一严格意义上的对信号光速率和调制格式完全透明的全光波长转换技术。此外，该技术还具有独特的多波长同时转换能力，转换过程噪声指数极低，转换后波形无畸变，并且潜在的可转换带宽对光纤工作波段透明，所以引起了人们极大的兴趣。自C.Q.Xu等人于1993年首次报道了基于PPLN光波导的差频效应的1.5μm波段全光波长转换技术以来，基于准相位匹配技术的全光波长转换器逐渐受到研究者的重视。1998年开始，G.P.Banfi等人又提出并实现了基于PPLN波导的级联二阶非线性倍频（SHG）+差频（DFG）效应的波长转换器，不再使用0.78μm波段的泵浦光，而是采用1.55μm波段的经EDFA放大的单模激光作为初始泵浦源。利用级联SHG+DFG效应使得所有注入波导的光波都在1.55μm波段以TM00基模形式耦合进波导，解决了0.78μm光难以与单模光纤模式耦合的难题。基于级联和频（SFG）+差频（DFG）效应的波长转换方案，由Chen和Xu等人于2004年提出，两个泵浦源的使用提高了泵浦带宽，同时增加了泵浦波长选择的灵活性。随后Yu和Gu等人又提出了双通构型的基于级联SFG+DFG效应的波长转换方案，相对于单通构型而言，双通构型转换效率更高，而且分析过程也可以得到简化。目前，利用准相位匹配技术实现全光波长转换已成为波长转换领域的研究热点。因此，本文对准相位匹配技术在全光波长转换过程中的应用作了介绍，分析了基于准相位匹配技术的全光波长转换的基本原理和实现方法，并以单通SHG+DFG波长转换器为例对基于准相位匹配技术的波长转换实验进行了说明，最后指出了准相位匹配技术在此领域中应用的前景和意义。

二、基于准相位匹配技术的全光波长转换的基本原理

基于准相位匹配技术的全光波长转换器主要是利用周期极化晶体中的二阶非线性效应来实现波长转换的，据此我们可以把他们分为直接基于差频效应的波长转换器、基于级联二阶非线性倍频（SHG）+差频（DFG）效应的波长转换器和基于级联二阶非线性和频（SFG）+差频（DFG）效应的波长转换器。如果再根据波长转换过程中生成的倍频光/和频光在晶体里传输的次数进行细分的话，基于SHG+DFG和基于SFG+DFG效应的波长转换器又有单通和双通两种构型，其中单通构型波长转换器中倍频光/和频光沿着通光方向只传输一次，而双通构型中倍频光/和频光沿着通光方向传输了两次。下面分别对他们的基本原理进行说明:

1、基于差频效应的光波长转换。差频发生（DFG）是由一束强泵浦光ωp与一束通常较弱的信号光ω∂混合，通过二阶非线性极化率x（2）产生频率发生漂移的输出光 ωc＝ωp-ωs，生成的差频光 ωc完全完全复制了信号光的幅值和相位信息，从而实现了波长转换。图1是DFG过程示意图。（图 1）

图1 基于差频效应的光波长转换示意图

在差频过程中，相位失配△kDFG的定义为:

其中，np，ns和 nc分别为泵浦光、信号光和生成光的折射率，可以由Sellmier方程给出。λp，λs和 λc分别为泵浦光、信号光和生成光的波长，∧是极化反转周期。

为了提高差频转换效率，需要相位失配越小越好。如果泵浦光和信号光的波长都已知，那么根据式（1）可以确定极化晶体的反转周期，使相位失配为零。当泵浦光和信号光都为准连续的平面光时，差频过程可以用下面的耦合波方程来描述。

2、基于倍频+差频效应的光波长转换。图2是基于单通构型的倍频+差频效应的光波长转换示意图。利用 x（2）∶x（2）的非线性二次级联过程来实现波长变换，其频率转换工作机理为:首先泵浦光ωp由SHG上转换到频率2ωp（ωSHG），同时产生的2ωp光与信号光ωS相互作用，通过DFG过程产生波长迁移输出ωc=2ωp-ωS。如此循环往复，基频光波的能量借助于倍频被转换到差频光波和信号光波。当基频光功率足够大或相互作用长度足够长时，则可以得到放大的信号光波与转换光波。（图 2）

图2 单通构型倍频+差频光波长转换示意图

除了单通构型的倍频+差频效应的光波长转换之外，还有双通构型的基于倍频+差频效应的光波长转换。在双通构型当中，泵浦光从一侧入射向另一侧传输，而信号光则在另一侧和泵浦光相对入射。泵浦光发生倍频产生频率为2ωp的倍频光后，当传输到另一侧的末端时，可以被此端放置的双色镜反射，使2ωp的倍频光与信号光沿相同的方向传输，从而也产生频率为ωc=2ωp-ωs的生成光，从而实现波长转换。在单通构型中，倍频和差频是同时进行的，倍频光是一边产生出来一边和信号光做差频；而在双通构型中，倍频过程发生在整个前向传输过程中，差频过程发生在反向传输过程中，两个过程是分开的，在发生差频过程的时候，倍频光已经是足够强了。也可以认为在双通过程中，周期极化晶体被利用了两次，所以相同条件下双通构型的转换效率比单通构型高，可以提高一倍左右。（图3）

图3 基于双通构型级联二阶非线性SH G+D FG效应的波长转换原理.D M:双色镜

3、基于和频+差频效应的光波长转换。除了基于倍频+差频级联二阶非线性效应的光波长转换之外，还有另一种级联二阶非线性效应光波长转换方案:基于和频+差频效应的光波长转换。在该方案中，通过和频过程产生差频过程所需的780nm波段的光场，所以该方案需要使用两个泵浦源。两个泵浦源（频率分别为ωp1和 ωp2）首先发生和频（SFG）过程，得到频率为 ωSF＝ωp1＋ωp2的和频光，然后和频光与信号光（频率为ωs）发生差频过程，得到转换后的频率为 ωc＝ωSF＋ωs的生成光，从而实现了波长转换。单通构型和频+差频波长转换的原理如图4所示。（图4）

图4 单通构型和频+差频光波长转换示意图

与传统的基于倍频+差频原理的波长转换器一样，基于和频+差频级联二阶非线性效应的波长转换器也有单通和双通两种构型。其中，双通SFG+DFG波长转换器与双通SHG+DFG波长转换器相比，泵浦光变为了两个，在前向过程中发生的是和频过程，产生的和频光最终与信号光反向传输，产生生成光。

由于基于和频+差频效应的波长转换器使用了两个泵浦源，一方面对单个泵浦源的功率要求减小了，可以用两个较小的光源产生一个原来需要较大光源才能达到的转换效率，或者可以用两个较大的泵浦源去获得更高的转换功率；另一方面使用两个泵浦源，在非线性相互作用过程中可调节的参数增加了，可以更好地满足实际需要。比如说，可以通过调节两个泵浦源的波长间隔和输入功率，在感兴趣的波段产生更加平坦的转换曲线。

三、基于准相位匹配技术的全光波长转换

最早的基于准相位匹配技术的波长转换器是直接利用“差频”效应实现的，随后又陆续出现了基于级联二阶非线性效应的光波长转换器，相比只利用差频效应的波长转换效率更高，所以是目前准相位匹配技术在全光波长转换中的主要研究方向。Chou等人利用单通构型SHG+DFG效应进行了1.5μm通信波段的波长转换实验。泵浦光从外腔激光器（ECL）出射后经掺饵光纤放大器（EDFA）放大到大约300mW，经过一个光纤布拉格光栅FBG对放大自发噪声（ASE）进行过滤。泵浦光和四个外腔激光器输出的信号光通过BPF耦合进入周期极化铌酸锂（PPLN）波导。PPLN波导的输出端连接光功率计（OSA）和光谱分析仪对输出信号光进行检测，使用ECL是为了对泵浦光和信号光的波长进行调谐。（图5）

图5 单通SH G+D FG波长转换实验装置图

在实验当中，光纤间的损耗大约是4.5-dB，光纤和波导之间的耦合损耗大约是1.3-dB，在PPLN波导内的传输损耗大约是0.35-dB/cm。为了避免光折变效应，波导的温度设定为90℃，这使得相位匹配波长从1556nm变为1562nm。图6是图5所示实验的光谱图，实现了基于级联SHG+DFG原理的四个波长同时转换，转换效率几乎都相同（-15-dB），耦合入波导的泵浦光功率大约是110mW。图6中插入的小图显示实验观察到的最高转换效率的单波长转换，转换效率达-8dB。相应的泵浦光功率为175mW，工作温度是120℃。（图 6）

图6 四波同时转换光谱图

图7显示了转换后倍频光的光谱和输入信号光光谱是复数共轭关系，这种光谱特性可用于在传输中途将信号光的啁啾反转，从而补偿传输过程中的色散，进行色散管理。图8显示当信号光波长发生变化而泵浦光波长保持不变时转换效率的变化。圆点代表测量值，实线代表其理论拟合。可以看出，3-dB转换带宽达到了76nm。由于光折变效应，实际测得的转换带宽会大于理论值。图9显示输出转换光功率和信号光功率的关系。当信号光功率在-50-dBm到0-dBm范围内变化时，输出倍频光和信号光功率保持良好的线性关系。（图 7、图 8、图 9）

除了使用均匀的单周期极化晶体之外，还可以对QPM晶体的极化周期进行改变，使其具有线性啁啾结构、分段结构、分段相移结构等多种结构。通过这样一种改变，可以达到扩展波长转换过程中的转换带宽的效果，从而满足WDM系统中的多信道波长转换过程对转换带宽的要求。

图7 转换光和输入信号光的光谱图

图8 波长转换效率随信号光波长变化的实验和拟合曲线

四、准相位匹配全光波长转换技术的研究意义和前景

图9 输出转换光功率随信号光功率的变化曲线

全光波长转换是WDM光网络中实现波长路由和波长再利用的关键技术。它利用有限的波长资源，支持不同波长之间的连接，可以增强网络的重构能力和生存能力，提高网络的灵活性和效率。准相位匹配技术的出现为实现全光波长转换提供了一种全新的可能。基于准相位匹配技术的PPLN波导适用于未来光纤通信和其他全光信号处理的应用中的混频器件，被认为是实现大容量、低损耗的WDM和高速TDM系统的关键技术。几种基于QPM－PPLN波导结构的1.5μm波段或1.3μm波段到1.5μm波段波长转换器已经开发成功，能够用于光纤连接散射补偿的波长变换，动态重配置和光波多通道波长转换器，还可以作为高速时分复用系统中管理高速数据的全光门控混频器。随着对基于准相位匹配技术的全光波长转换过程研究的全面深入，发现通过改变传统的均匀单周期结构可以在得到几乎相同的转换效率前提下得到更大的转换带宽，从而更好地满足了WDM系统多信道波长转换过程对转换带宽的要求。由于基于准相位匹配技术的全光波长转换器具有诸多无法比拟的优点，相对于其他器件而言展现出更好的发展前景，我们相信其必将在波长转换领域占有重要的一席之地。

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