波长变换论文：光通讯波长变换探究

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本文作者：夏林中管明祥作者单位：深圳信息职业技术学院电子与通信学院

基于PPMgLN晶体的波长转换技术

LiNbO3是典型的负单轴晶体，其透光波段为330～5500nm，基本覆盖了所有光通信波段[8]。目前，基于LiNbO3晶体的高效频率转换主要有两种相位匹配方式，即准相位匹配（QPM）和双折射相位匹配（BPM）[9]。利用周期极化掺氧化镁的LiNbO3（PPMgLN）晶体实现准相位匹配，其实质是对LiNbO3等铁电材料的自发极化方向进行周期性调制，以补偿相位失配，从而在整个PPMgLN晶体内实现高效的光学频率变换。由于极化周期与材料的内在特性无关，因此与BPM技术相比,QPM技术没有波矢方向和偏振方向的限制；没有双折射效应的晶体也可以实现QPM；理论上QPM能够利用晶体的整个透光范围；此外，QPM过程也不再要求垂直偏振光束,所以能够利用大的非线性系数，其非线性光学频率变换的转换效率较BPM有显著提高[10]。因此，在全光通信波长转换时，选用准相位匹配方式。准相位匹配方式也分两种类型，即O型（eee型）准相位匹配和I型（ooe型）准相位匹配。O型准相位匹配泵浦带宽非常窄，通常只能容下一个泵浦光频率，且其最大非线性系数为d33(25.3pm/v)；I型准相位匹配泵浦带宽较宽，且其最大非线性系数为d31(4.6pm/v)[11]。如果选用O型准相位匹配，则频率转换效率很高，但泵浦带宽很窄；如果选用I型准相位匹配，则频率转换效率较低，但泵浦带宽很宽，为此可根据需要选取O型准相位匹配或I型准相位匹配。在PPMgLN准相位匹配参量过程中，三波应满足能量守恒定律和动量守恒定律[12]。

级联二阶倍频差频（cSHG/DFG）全光波长转换

基于PPMgLN晶体在1.5μm波长附近的WDM区域实现波长转换可利用二阶效应以及二阶级联效应。如果是利用二阶效应，一个强的泵浦光(0.78μm波段)与信号光(1.5μm波段)产生差频效应得到转换光。图1中Coupler为光耦合器，PC为偏振控制器，EDFA为掺铒光纤放大器，Collimator为光准直器，Lens为光聚焦透镜，TC为晶体温度控制器，OSA为光谱分析仪。在宽带倍频差频全光通信波长转换实验方案中，泵浦光和信号光从PPMgLN晶体的一端入射后沿着晶体的x轴方向传输，传输过程中泵浦光产生了倍频光，倍频光再与信号光差频，最终产生转换光。在整个传输过程中，倍频与差频过程是同时作用的，最终产生的转换光可表示为。其转换过程如图2所示。该种波长转换机制也存在着一个问题，就是其泵浦光在通信波段，占据了一个可能的波长通道。为了解决这个问题，提出了级联二阶和频差频全光波长转换机制。

级联二阶和频差频（cSFG/DFG）全光波长转换

级联二阶和频差频全光波长转换方式采用了两个泵浦光，且泵浦光波长位于通信波段的两侧，避免了占用通信波段资源。其实验方案如图3所示。在宽带和频差频全光通信波长转换实验方案中，泵浦光、和信号光从PPMgLN晶体的一端入射后沿着晶体的x轴方向传输，传输过程中泵浦光和和频产生了，和频光再与信号光差频，最终产生转换光。在整个传输过程中，和频与差频过程是同时作用的，最终产生的转换光可表示为。其转换过程如图4所示。目前，cSFG/DFG全光通信波长转换方案应用非常广泛，其中比较成熟的应用就是实现多波长广播功能。

结论

经过研究与分析，得出以PPMgLN晶体为二阶非线性介质和以I类QPM技术为基础的级联二阶和频差频全光通信波长转换器，具有低噪声、波长调谐范围宽和可以同时转换多波长的特点，是对幅度、频率和相位信息完全透明的方案，且可以实现广播功能，为此其应用前景将会非常广阔。