一种新颖的偏振不敏感的基于半导体光放大器的四波混频 光波长转换方法
光学学报第21卷第9期Vol. 21 ,No . 9 2001 年9月Sept ember , 2001AC TA
OP TI CA S IN ICA
()文章编号:025322239 205
一种新颖的偏振不敏感的基于半导体光放大器的
3四波混频光波长转换方法
刘威孙军强
()华中理工大学光电子工程系,武汉430074
摘要 : |
线偏振光
,利用它控制信号光的偏振态能够克服四波混频过程所固有的偏振敏感性
。将这种方法与正交偏振双抽
运方法结合起来
,能较简单地实现偏振不敏感且具有近似常数转换效率的宽带四波混频光波长转换
。
关键词:光波长转换;四波混频;半导体光放大器
中图分类号 : O43711 文献标识码 : A | |
混频型全光波长转换方法的转换效率与频率转换间
全光波长转换器是全光通信系统和未来宽带波距强烈相关
。当频率转换间距从几十GHz上升到分复用网络中不可缺少的元件
,它可以使得波分复2T Hz 时,转换效率大约要减小40dB,这大大
用网络的组建、互联、和管理更具兼容性和灵活性。了转换范围
,在实际中是根本不可用的。目前国外所谓全光波长转换是指不通过光电
光的转换过程所提出来的解决偏振敏感性问题的方
而是通过全光的方式将某一波长的光波上所携带的1( ) ) : 1同向偏振双抽运方法CP。法主要有三种信号完全复制到另一波长的光载波上去。目前研究基本思想是在两个同向偏振的抽运光间产生拍频,
得最多的是以半导体光放大器为基础的全光波长转 ) |
可以证明合成后的转换效率与信号光的偏振方向无
换器的基本原理是将信号光和较高功率的抽运光同)关。3双半导体光放大器法。基本方法是先用偏时注入到半导体光放大器的有源层中,由于三阶非
振分光镜将随机偏振态的信号光分解成两个正交偏线形效应产生新的频率的光场,新光场完全复制了振的线偏光,再分别注入到两个半导体光放大器中信号光,只是相位是共轭的。它的最大优点是对比进行四波混频波长转换,然后合二为一。
特率和调制形式透明,并且可以实现色散补偿和多这三种方法都存在缺点,双抽运方法严格地说个波长信道同时转换。但其实用化还存在两大问 仍存在一定的偏振敏感性,且难以实现和具有与频
)题:1偏振敏感性问题。由于四波混频过程本质
率转换间距无关的近似常数转换效率的正交偏振双上是偏振相关的
,而实际传输系统中进入波长转换2抽运方法结合在一起,转换范围较小,缺乏实用器中的信号光的偏振态是随机的,可能是线偏光,也前景
;而双半导体光放大器法的结构较为复杂,由于可能是椭圆偏光或圆偏光
,所以在半导体光放大器分别在两个半导体光放大器中转换,难以保证合路的有源层里信号光和抽运光间的拍频强度是不确定后不产生码元的错位
。并且两个半导体光放大器构的,只有当两者为同向偏振的线偏光时转换效率才成的转换器的光增益和相对转换效率的不平衡仍然
引起一定的偏振敏感性。3国家科委863高科技项目
、华为科研基金和湖北省自然本文提出一种新颖的偏振不敏感的基于半导体 |
具有相同的偏振方向,实现了波长转换效率与信号采用此偏振态转换器,就可以在信号光注入半光初始偏振态无关的波长转换。我们预计此种方法导体光放大器之前先将其转换为固定偏振方向且功
比前面三种方法优越。率近似不变的线偏光,从而实现偏振不敏感的基于半导体光放大器的四波混频型光波长转换。考虑到
这种偏振态转换器同样可用来进行抽运光的偏振态2 原理
控制,且即使信号光和抽运光的波长差达到80 nm ,
这种偏振态转换器的结构如图1 所示,对其原它们在晶体中的折射率差也是极小的 ,可以考虑将理进行简要的描述,不涉及光学设计和工艺细节。
信号光和抽运光耦合到一起后注入到同一个全光学如图1所示
,入射信号光经一大聚焦常数的1/偏振态转换器转换为同向偏振的线偏光
,再直接注4节距自聚焦透镜准直后垂直入射到单轴双折射晶
入半导体光放大器中进行四波混频,这样不仅简化体中,
分解为两束正交偏振的线偏光:o光和e光,了实验装置
,也避免了在耦合以及在光纤中的传输半玻片的光轴与o光偏振方向成45?角,o光经半波过程中偏振态又发生改变,因此我们采用如图2所片后偏振方向旋转90?,也成为e光,然后使它通过示的实验装置。一适当厚度的的单轴双折射晶体6
,平移它的光路,
|
λdouble2refractio n crystal ; 3 ,5 :co mmo n quartz glass ; 4 : / 2 plate
Fig. 2 Sketch of polarizatio n2insensitive wavelengt h co nversio nadop ting pollarizatio n state co nverter
( φ) ( φ) i kz +ikz + 0 x 0 yaex + aey= 12
φφi ix y aex + a ey12 3 分析
E和E分别表示沿 x 和y 轴方向偏振的光场分量 xy 3 . 1
偏振态转换器的简要分析
的复振幅,a和a为幅值,用琼斯矩阵表示为12 在图1中,假设入射光沿z方向传播,o光偏振φix ae E 1x方向与x轴平行,e光偏振方向与y轴平行,则不管E= = , φiyE ae 入射光是线偏振光还是椭圆偏光或圆偏光
,都可以y2表示为光矢量分别沿x轴和y轴的两个线偏光的因此入射光的强度为22 2 2 叠加。经自聚焦透镜准直后,近似为平面波,其复振=a+ a, I= E+E 1 2
inxy
幅可表示为当入射光束进入方解石晶体后被分解为o光和eE = Ex + Ey = x y 光,它们的琼斯矢量分别为
9期刘威等:
一种新颖的偏振不敏感的基于半导体光放大器的四波混频光波长转换方法1049
φi或半导体光放大器的有源层中 ,要求耦合后数值孔x 0 ae1o 光 :, e 光 : . iφ y |
的左端面时光斑扩散到直xae1
径0. 3 mm ,则两束光的总宽度约为0. 6 mm ,同样假设o光和e
光的透过率相同,则两束光经合路后
()由2式计算出双光束耦合后的数值孔径约为0. 11 , 总光强为
22 已经与单模光纤的数值孔径很接近了,故能获得较φφiixyI=+ = T aeT
aeout12高效率的耦合。 2 2 () T a+ a, 1 2 3 . 3
偏振态转换器所产生的附加光程差和相位差
可见出射光的功率与入射光的偏振态无关,且偏振对结果的影响
由于偏振态转换器将原信号光分方向恒定。因此在基于半导体光放大器的四波混频
解成了o光和
型光波长转换系统中采用此偏振态转换器对信号光e光
,在单轴双折射晶体中其光路的差异和折射率进行偏振态的转换
,就可以实现偏振不敏感的波长的差别所引起的光速的不同,都会导致附加光程差转换。需要指出的是,由于事实上光学元件对o光和相位差
,下面分析它们对转换结果的影响。和e光的透过率略有差异
,并且光路很难调节到理首先说明信号码元不会构成影响。虽然全光学想状态,故此偏振态转换器实际上存在着较小的偏偏振态转换器会产生附加光程差和相位差,但首先振敏感性,实验测得其偏振敏感度约为1dB
。实际上偏振态转换器的设计中已经考虑到对光程差 3 . 2 |
1选取合适的折射率,焦常数。图1中自聚焦透镜1用来将光纤发出的发
可以进一步校正光程差。我们可以用数值估算来说散光束变换为平行光束
。可以证明将光纤置于自聚明问题,若经校正后光程差最大为0. 1 mm ,则渡越焦透镜的焦点上,在透镜输出端光束的半径和发散-3 8 - 13 Δ时间为t= 0 . 1 ×10 / 3
×10s?3 . 3 ×10 s ,而
角分别为即使是调制频率为100 GHz 的数字信号 ,其码元的NA- 11 - 13 f 持续时间也有 10s ,远大于 3 . 3 ×10 s ,因此存( ) r=+ rco s A L , b f ( )A sin A L [ n 0( )1在的光程差不会干扰正常码元。接着证明这对四θ() = arcsin [ - rsin A L nA , b f 0波混频过程的光波长转换效率
不构成影响。首先要指出,我们的研究范围限于实上式中r和
NA分别是单模光纤纤芯半径和数值ff
()用中直接调制光强度调制和接收的数字式光纤通孔径,L
是自聚焦透镜的长度。我们选用的透镜长度
π信系统。我们可以把经偏振态转换器后的信号光看是1/4 节距,A L = / 2 , 焦点在透镜的端面上,上
成是由两束相位不同的同向线偏光的混合,设其中两式成为
一束的功率为P、另一束功率为P,它们分别与S1S2 ( ) A , r= NA/ n b f 0( )2 抽运光发生四波混频而产生波长转换的新光场,设θ() A ? - rn= arcsin - rn A . bf 0f 01 P与P为分别产生的新光场的功率,由块理论c1c2 可由此计算图1
中入射光束经自聚焦透镜 1 准可得新光场的功率为直后的光斑直径和发散角 |
mm, 镜,其参数为
导体光放大器的增益。总的新光场光功率仍然是μn= 1 . 5503 ,
单模光纤的芯径为10m ,数值孔径约0PP= P+ = C C1 C2() 为0. 1 ,则由
2式计算得光束半径为0. 134 mm ,发23 ( ) (Δω) P+ PPG R = S1 S2 p 散角为0. 00373 rad ,是很好的平行光束。32(Δω) PP G R . p S 自聚焦透镜7用来将两束e光耦合到单模光纤
如图3所示,偏振态转换器1将抽运光1和信
号光转换为同向偏振的线偏光 ,偏振态转换器 2 将 4 偏振不敏感且转换效率平坦的四波 | |
(抽运光2转换为与之成正交偏振的线偏光偏振态混频方法)转换器1和2可采用相同的器件,正交放置即可,()文献2提出和采用两个正交抽运BOP以实三束光经合路以后,注入半导体光放大器中产生四
现与频率转换间距无关的近似常数的转换效率的方波混频。由于抽运光2与信号光及抽运光1成正交法,并已报道了在超过80nm 的波长转换间距范围偏振,故拍频只发生在信号光及抽运光1之间,在有3内实现了近似常数的转换效率和信噪比。我们源层中产生增益和折射率光栅,抽运光2被其散射,可以将本文中所论述的偏振不敏感的方法与正交偏产生两个边带:光频F和光频C。光谱如图4所示。
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Fig.4 A four2wave2mixing diagram of BO P scheme shown in t he f requencydo main
[4 ] (Δω) 定义其中R是相对转换效率函数。转换效率为2( )η (Δω) 3 = P/ P=
PPGG R . CS 1 2 X Y 1 PG, A = PG , A = PG, A = 1 X 2 2 Y S S X 1
Δω由于频率转换间距为, 即抽运光 1 和抽运光 2 的 2 P、P、P分别为注入到半导体光放大器的抽其中 1 2 S | |
() Δω频率差,由3式可见转换效率与无关,而只与运光1、抽运光2和信号光的光功率,G、G是半导2X Y
Δω抽运光1与信号光的频率差有关,因此实现了
体光放大器对两个正交偏振方向光场的增益,由块1
与频率转换间距无关的波长转换效率。理论得新光场C的波函数为
(( ω) ( ) ) (ω) E= A x〃Ax〃r-A y× C S 1 S 1 2
结论提出和论述了一种新颖的偏振不敏感的基于ωωω)exp {j [- + t + <- <+ <} .
S1 2 S 1 2
半导体光放大器的四波混频光波长转换方法,设计新光场的功率为
23 2 了一种全光学偏振态转换器,它主要由双折射晶体、(Δω)() r P= EE = A A
2 2 半玻片和自聚焦透镜构成 ,能够将任意偏振态的输 ( ) (Δω) Δω ) ( A A A R = |
etal . . Efficiency 2 Co ntestabile G , Martelli F , Mecozzi A光
,理论计算其输出光束数值孔径大约为0. 11 , 能flattening and equalizatio n of f requency up2and down2够与单模光纤和半导体光放大器进行高效的耦合。co
nversion using four2wave mixing in semico nductor op tical
将它用于对信号光进行偏振态的自动控制,能较简amplifiers.I E E E Photon . Tech
nol. L et t . , 1998 , 10
()单地实现偏振不敏感的四波混频光波长转换,并且10:1398,1401
3Mor ga T J , Tucker R S , L acey J P R. All2op tical可以预计
,它优越于双抽运方法和偏振分光镜法。wavelength t ranslatio n over 80 nm at 2 . 5
Gb/s using four2
参考文献waveMixing in a semico nductor op tical amplifier . I E E E
()1999 , 11 8:982,984Photon . Technol . L et t . , 1 L acey J P R ,Summerfield M A , Madden S J . Tunability 4 Zhou J ianhui , Par k N ,Dawso n J W et al . . Efficiency of of polarizatio n2insensitivewavelengt h co nverters based o n broadband four2wave mixingwavelengt h co nversio n using four2wave mixing in semico nductor optical amplifiers. semico nductor t raveling wave amplifiers. I E E EPhoton . ( ) 1998 , 16 12 : 2419 ,I E E E Photon . Technol . L et t ., () 1994 , 6 Technol . L et t . , 1:50,52 2427
Ba sed on Four2Wave Mixing in Semicon ductor Opt ical Ampl if ier |
)a n d Tech nology , W u ha n 430074
)( Received 22 May 2000 ;revised 3 August 2000
Abstract : A novel scheme fo rpolarizatio n2insensitive op tical wavelengt h co nversio n based o n
( ) ( ) fo ur2wave mixing FWM in semico nducto r op ticalamplifier SOA is p ropo sed and demo nst rated. An all2op ticalpolarizatio n state co nverter w hich can auto matically change random inp ut polarizatio n state into linear o utp ut polarizatio n statewit h fixed polarizatio n directio n and power is emplo yed inwavelengt h co nverter . U sing it to co nt rol t he polarizatio n state of signal beam , t he int rinsical polarizatio
n2sensitivity of FWM p rocess can be o verco me simply. Key words : op ticalwavelengt h co nversio n ; fo ur wave mixing ; semico nducto r optical amplifier