基于铌酸锂光波导的高速全光信号处理技术研究

摘要

全光信号处理是未来高速大容量全光通信网络的关键技术。基于铌酸锂光波导的全光信号处理具有超快、低噪声等优点，近年来受到越来越多的关注。本文围绕基于周期极化反转铌酸锂(PPLN)光波导的二阶和级联二阶非线性效应开展了全光波长转换、全光逻辑门、全光码型转换、全光信号再生和全光超宽带(UWB)信号产生等理论和实验研究，发现了二阶非线性和PPLN光波导“光相位擦除”新特性，具体内容如下： (1) 讨论了基于PPLN光波导全光信号处理的基本理论。推导了倍频(SHG)、和频(SFG)、差频(DFG)、级联倍频和差频(cSHG/DFG)、级联和频与差频(cSFG/DFG)等二阶和级联二阶非线性效应非耗尽近似条件下的解析解，分析了转换效率和转换带宽，比较了转换功能和相位共轭即光谱反转特性。 (2) 对一个传统观念“二阶非线性和PPLN光波导完全透明”产生疑问并通过实验和理论论证了PPLN光波导其实也存在“不透明”的一面，并由此发现了二阶非线性和PPLN光波导“光相位擦除”的新特性。利用这一“光相位擦除”新特性实验实现了40 Gbit/s载波抑制归零码(CSRZ)到归零码(RZ)的码型转换、40 Gbit/s差分相移键控(DPSK)信号的真解调、光双二进制码(ODB)到非归零码(NRZ)和RZ的码型转换、传号交替反转码(AMI)到RZ的码型转换以及单极性伪归零码(S-PRZ)的产生。另外，实验发现了四波混频(FWM)“不透明”的一面及其“光相位擦除”新特性，同时实现了40 Gbit/s CSRZ到RZ的全光码型转换。 (3) 实验研究了基于PPLN光波导二阶和级联二阶非线性效应的高速全光波长转换。基于cSFG/DFG实验实现了40 GHz皮秒脉冲固定输入－可变输出(可调谐)、可变输入－固定输出、可变输入－可变输出等多功能全光波长转换以及同时正反向波长转换。构建新颖的PPLN光波导双环腔可调谐波长转换器基于cSFG/DFG 实验实现了可调谐全光波长转换，无需任何外界注入连续光源，装置结构简单易实现，有效降低了系统复杂性和成本。基于cSHG/DFG实验实现了40 GHz皮秒脉冲“广播式”波长转换和40 Gbit/s频移键控(FSK)、光双二进制(ODB)、传号交替反转(AMI)等先进高级调制格式的波长转换。 (4) 理论和实验研究了基于PPLN 光波导二阶和级联二阶非线性效应的高速全光逻辑门。基于SFG实验实现了40 Gbit/s NRZ非(NOT) 门，理论研究了40 Gbit/s双向半减器、异或门(XOR)、或门(OR)。基于cSFG/DFG提出并理论研究了仅利用单个PPLN光波导同时实现40 Gbit/s与(AND) 门、XOR门、OR门、半加器和半减器。实验实现了20 Gbit/s和40 Gbit/s三信道NRZ和RZ 输入AND 门以及20 Gbit/s和40Gbit/s三信道NRZ-DPSK和RZ-DPSK输入XOR门。实验研究了40 Gbit/s CSRZ同时码型转换和AND门、CSRZ-DPSK 同时码型转换和XOR门。基于cSHG/DFG 实验实现了40 Gbit/s CSRZ的AND门。 (5) 理论和实验研究了基于PPLN光波导二阶和级联二阶非线性效应的高速全光码型转换。提出一种新颖的PPLN光波导环形镜码型转换器，基于SFG、cSHG/DFG、cSFG/DFG理论研究了40 Gbit/s NRZ到RZ的码型转换。实验实现了基于cSHG/DFG、cSFG/DFG 10 Gbit/s和20 Gbit/s NRZ到RZ的码型转换，采用全光时钟提取的方法获得同步抽运光时钟。提出并理论研究了40 Gbit/s NRZ-DPSK到RZ-DPSK、NRZ 到CSRZ、RZ到CSRZ、NRZ-DPSK到CSRZ-DPSK以及RZ-DPSK到CSRZ-DPSK的码型转换并进行了验证性实验。 (6)提出并理论研究了基于PPLN光波导的全光信号再生。基于cSHG/DFG 且将信号光置于SHG过程准相位匹配(QPM)波长处，此时波长转换具有提高消光比、光信噪比和品质因子的功能，因而可以改善信号质量。 (7) 理论和实验研究了基于PPLN光波导的全光UWB脉冲信号产生。提出一种新的思路和方法用于产生任意阶UWB脉冲信号，即将UWB脉冲视为“过冲”和“下冲”的合成，利用参量放大可产生“过冲”而参量衰减可产生“下冲”，基于级联PPLN光波导SFG和cSHG/DFG理论研究了UWB Monocycle、UWB Doublet、UWB Triplet、UWB Quadruplet和UWB Quintuplet的产生。基于单个PPLN光波导SFG参量衰减作用实验实现了UWB Monocycle的产生。