基于铌酸锂光波导的全光波长转换

基于铌酸锂光波导的全光波长转换周敏娟,孙军强(华中科技大学光电子工程系,湖北武汉　430074)摘要:研究了双脉冲泵浦情况下,在准相位匹配(QP M )的周期性极化反转的铌酸锂光波导(PP LN )中,基于级联二阶非线性效应———和频与差频效应(SFG +DFG )的全光波长转换。

推导了描述SFG +DFG 波长转换的理论模型。

通过数值模拟,研究了波长转换过程,观察到脉冲传播过程中出现了走离效应与脉冲展宽。

研究了器件长度、信号波长、脉宽等参数对波长转换效率的影响。

关键词:周期性极化反转的铌酸锂光波导;级联二阶非线性效应;全光波长转换中图分类号:T N914 文献标识码:A 文章编号:100528788(2006)022*******A ll 2opti ca l wavelength conversi on ba sed on L i Nb O 3wavegu i desZHO U M i n 2juan,SUN Jun 2q i a ng(Depart m ent of Op t oelectr onic Engineering,HUST,W uhan 430074,China )Abstract:An all 2op tical wavelength conversi on based on the cascaded second 2order nonlinear interacti ons of Su m 2and D ifference 2Fre 2quency Generati on (SFG +DFG )in quasi -phase matched Peri odically Poled L i N b O 3(PP LN )W aveguides with a dual 2pulse pu mp s ource is studied .A theoretical model for the descri p ti on of the SFG +DFG wavelength conversi on is devel oped .The p r ocess of the wavelength conversi on is analyzed by nu merical si m ulati on and walk 2off effect and pulse br oadening have been observed in pulse p r opa 2gati ons .The study shows that the conversi on efficiency is affected by the length of the waveguides,signal wavelength and pulse width .Key words:Peri odically Poled L i N b O 3(PP LN )W aveguides;cascaded second 2order nonlinear interacti ons;A ll 2Op tical W avelength Conversi on (AOWC ) 全光波长转换器(AOWC )是发展未来光网络的关键器件之一。

AOWC 在某一波长上接收输入光信号,而在另一个不同的波长上将其复制出来。

它是光波长路由系统的核心器件,解决了全光传输网中的波长争用问题。

此外,它在光开关、光交换、波长再生等技术中也有着广泛的应用。

用于实现波长转换的方案很多,其中,基于准相位匹配的周期性极化反转的铌酸锂光波导,利用级联二阶非线性效应实现的波长转换具有独特的优点:效率高、速度快、噪声低、无啁啾,易实现THz 的调制带宽;能以相等的效率同时向上和向下转换多个信道(波长);无附加的放大自发辐射噪声;能实现全透明转换[1]。

目前,利用该效应实现波长转换的方案有两种:基于倍频与差频效应(SHG +DFG )和基于和频与差频效应(SFG +DFG )。

其中,SFG +DFG 方案采用双泵浦驱动,泵浦波长可调性好,转换效率较高。

传统的利用连续泵浦实现的波长转换技术已经比较成熟[2～3],然而由于高速全光网络的发展,连续泵浦下的波长转换速率低,已经不再适用。

因而,国内外很多研究者都开始把焦点投向了超短脉冲泵浦下的波长转换。

1　理论模型SFG +DFG 实现的波长转换原理如图1所示。

1.5μm 波段频率为ωp1、ωp2的两个脉冲泵浦源,其峰值功率分别为P p10和P p20,泵浦脉冲和信号脉冲ωs (1.5μm 波段)同时注入准相位匹配的铌酸锂光波导中。

泵浦脉冲通过SFG 产生780nm 波段的和频光脉冲,此光脉冲再与信号光脉冲通过DFG 作用,产生频率为ωc =ωp1+ωp2-ωs 的转换光脉冲,从而实现了波长转换。

图1　脉冲泵浦下SFG +DFG 波长转换原理图这里,我们采用准相位匹配的周期性极化反转的铌酸锂光波导(PP LN ),它的通光范围大(0.4～4.5μm ),光波导对光波约束性强,互作用距离较长,便于与半导体激光器直接耦合。

设传输轴为ξ,收稿日期:2005-07-15作者简介:周敏娟(1982-),女,江苏常熟人,硕士,主要研究方向为全光波长转换及全光信号处理。

862006年　第2期(总第134期)光通信研究ST UDY ON OPTI CAL COMMUN I CATI O NS2006(Sum.No .134)光栅周期为Λ,根据非线性波动方程以及三波混频原理[4],脉冲泵浦下的SFG +DFG 波长转换可用以下联立的耦合波方程组描述:5A p15ξ+1νgp15A p15t -i β2p1252A p15t 2=i ωp1κSF A 3p2A SF exp (i ΔβSF ξ),5A p25ξ+1νgp25A p25t -i β2p2252A p25t 2=i ωp2κSF A 3p1A SF exp (i ΔβSF ξ),5A SF 5ξ+1νgSF 5A SF5t -i β2SF 252A SF 5t 2=i ωSF κSF A p1A p2exp (-i ΔβSF ξ)+i ωSF κDF A s A c exp (-i ΔβDF ξ),5A s 5ξ+1νgs 5A s 5t-i β2s 252A s 5t 2=i ωs κD F A 3c A SF exp (i ΔβD F ξ),5A c 5ξ+1νgc 5A c 5t-i β2c 252A c 5t 2=i ωc κDF A 3s A SF exp (i ΔβDF ξ),(1)式(1)中,A m 、νg m ,β2m (m =p1、p2、SF 、s 、c )分别表示泵浦1、2、和频、信号、差频光脉冲的复振幅,群速度以及群速度色散(G VD )的影响。

κSF 和κDF 分别是和频与差频过程的耦合系数,ΔβSF 和ΔβD F 分别表示和频与差频过程的相位失配。

2　数值模拟及分析我们采用有限差分法进行数值模拟,选择泵浦与信号脉冲为双曲正割型:A (0,t )=P 0sec h (1.76tτ0),P 0为脉冲峰值功率。

图2是模拟得到的转换脉冲三维图,从图中可看出它在光波导中的传播特性。

图2　转换光脉冲的三维图转换脉冲在传输过程中得到放大,并且逐渐偏离传输轴。

这种偏离现象称为群速度失配引起的走离。

不同波长的光脉冲在波导中传播,由于群速度不同,随着传播距离的增加,原本同步的脉冲逐渐不再重叠。

在数值模拟中,我们以泵浦脉冲为基准,令坐标轴以群速度v gp1移动,从而观察到了走离现象。

在脉冲传播过程中,由于G VD 的影响,会引起转换光脉冲的展宽。

图3(a )中(τp10=τp20=τs0=5p s ),转换脉宽与初始信号脉宽之比(τc /τs0)的变化,说明在脉冲传播过程中,转换脉宽会逐渐展宽。

但展宽不是无限制的,它受到输入脉冲的制约。

图3(b )曲线中,信号初始脉宽τs0=5p s,改变泵浦脉宽(τp10=τp20两者同时变化),转换脉宽会随之变化,逐渐趋近初始信号脉宽(τc /τs0→1)。

可见,当输入的泵浦脉宽改变,转换脉宽会随着传播距离的增加,逐渐接近输入脉冲中的最短脉冲宽度。

原因在于当不同脉宽的脉冲相互作用时,光脉冲参与转换的部分是有限的。

图3　τc /τs0的变化曲线转换效率是评价波长转换的一个重要的性能参数。

脉冲泵浦下的波长转换效率定义如下:η=∫P c (ξ=L )d t ∫P s(ξ=0)d t 。

(2) 从图4的转换效率曲线可以看出,由于泵浦脉冲峰值功率高,脉冲能量大,脉冲泵浦下的波长转换效率明显高于连续泵浦情况(通常<100%)。

在波长转换中,湮灭一对泵浦脉冲光子,产生一对信号与转换脉冲光子,根据能量守恒,泵浦能量转移给信号与转换脉冲,使之得到放大,这样,转换效率可超过100%(0d B )。

从图4(a )可以看出,在1.5μm 波段,由于差频过程的相位失配小,转换效率高,在1.56μm 附近,96周敏娟等:　基于铌酸锂光波导的全光波长转换图4　转换效率η的变化曲线出现了一个转换效率的峰值,这是因为当信号频率接近泵浦频率时,SFG 与DFG 过程的相位失配同时趋近0,转换效率达到最大。

图4(b )揭示了脉宽与器件长度对转换效率的影响。

在一定范围内,脉冲宽度越大,能量越高,转换脉冲放大越多,转换效率越高。

然而,脉宽越宽,速率越低,要获得高转换效率,则必须牺牲转换速率,高速与高效两者不能兼得。

另外,从图4(b )看出,在一定范围内,器件长度越长,转换脉冲放大越多,转换效率越高。

所以,适当选择脉宽与器件长度,对实际的波长转换器的设计来说是很重要的。

3　结　论通过对脉冲泵浦的全光波长转换的研究,我们推导了在准相位匹配的铌酸锂光波导中,利用级联二阶非线性效应(SFG +DFG )实现全光波长转换的理论模型。

脉冲泵浦下的波长转换由于受到时间的影响,转换脉冲传播过程中出现了走离效应与脉冲展宽现象。

通过数值模拟,我们看到信号波长在1.5μm 波段转换效率最高。

另外,泵浦脉宽与器件长度都对转换效率有影响。

宽脉冲能够得到高效的波长转换,但却要牺牲转换速率。

总之,脉冲泵浦下的波长转换有着独特的优越性,是波长转换技术的又一重要突破,它对未来光网络的发展有着十分重要的意义。

参考文献:[1]　薛挺,于建,杨天新,等。

1.5μm 波段基于级联二阶非线性的铌酸锂光波导全光波长变换的理论分析[J ]。

物理学报,2002,51(1):91297。

[2]　Bo Chen,Chang 2Q ing Xu .Analysis of novel cascadedχ(2)(SFG +DFG )wavelength conversi ons in quasi 2phase 2matched waveguides [J ].I EEE J.Quantu m Elec 2tr on,2004,40(3):2562261.[3]　S ong Yu,W anyi Gu .W avelength conversi ons in quasi 2phase 2matched L i N b O 3waveguide based on double 2passcascaded χ(2)SFG +DFG interacti ons [J ].I EEE J.Quantu m Electr on,2004,40(11):154821554.[4]　石顺祥,陈国夫,赵卫,等。