利用原子相干实现色散控制的方法

摘要

本发明的利用原子相干实现色散控制的方法属光学领域，特别涉及一种光色散的补偿技术。色散控制系统是用一个光耦合器4把信号光1、相干泵浦2及非相干泵浦3通过光纤6耦合入波导型器件5，从波导型器件5另一端出射的光再由光纤6耦合出来。光耦合器4是具有四个光纤接口的星型耦合器；波导型器件5是用铒离子掺杂的YAG晶体作为芯层，用二氧化硅作为包层的。本发明利用原子相干，通过加一个强的相干泵浦和一个非相干泵浦来调节信号光的吸收和折射率，实现并控制晶体介质中的正常色散和反常色散，进而能够实现色散的动态补偿。

说明书

技术领域

本发明属光学领域，特别涉及一种光色散的补偿技术，具体涉及利用原子相干效应实现掺铒YAG晶体中色散控制的方法，适用于光通信领域。

背景技术

在光纤通信系统中，色散是影响传输信息质量的主要因素，它使传输脉冲展宽，同时强度降低，导致误码率增加，系统性能下降。色散补偿是消除这种不利影响有效而且经济的手段。

针对色散的物理机理，人们研究了各种色散补偿技术，如目前常用的色散补偿光纤法、啁啾光纤光栅法、频谱反转法等。

随着全光通信网传输速率和网络范围的加大，色散的补偿也变得复杂，而上述方法需要针对传输距离和速率预先设计系统的补偿方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，利用一个在掺铒的YAG晶体中的四能级系统，通过相干泵浦和非相干泵浦的作用，实现并控制晶体介质中的正常色散和反常色散，进而能够实现色散的动态补偿。

铒离子掺杂的YAG晶体对激光器或放大器而言是一种非常优良的介质，其运行在中红外频带，刚好是光通信频带。

本发明选用铒离子掺杂的YAG晶体作为芯层，选用二氧化硅作为包层，利用薄膜沉积技术和标准的光刻工艺，制备出一种波导型器件(参见图1和图2)，该波导型器件与单模光纤的模式能够很好的匹配。为了将波导型器件应用于光通信系统实现色散的动态补偿，本发明设计了色散控制系统(参见图3)，就是用一个光耦合器把信号光、相干泵浦及非相干泵浦通过光纤耦合入波导型器件，从波导型器件另一端出射的光再由光纤耦合出来。所说的光耦合器是具有四个光纤接口的星型耦合器。

信号光可以是波长在1500～1600nm范围可调谐的半导体激光器，相干泵浦可以是波长为1693.77nm的半导体激光器，非相干泵浦可以是波长为976nm的半导体二极管。

波导型器件的铒离子掺杂的YAG晶体芯层横截面可以为脊形或矩形，铒离子掺杂浓度为0.50～0.55at.％。

在掺铒YAG晶体中，本发明利用原子相干，通过加一个强的相干泵浦和一个非相干泵浦来调节信号光的吸收和折射率。当非相干泵浦较小时，我们在信号光中心频率两侧能够得到两个吸收峰，在两个吸收峰中间的透明窗口中，对信号光有一个大的正常色散。当非相干泵浦较大时，能够得到两个增益峰，在两个增益峰之间的透明窗口中得到反常色散曲线。

前述的非相干泵浦较小、较大时，是以铒离子掺杂YAG晶体的能级系统中能级|2>和能级|1>之间的自发辐射速率Γ₂₁为基本单位，Γ₂₁＝239.1Hz，在非相干泵浦Λ小于2.5Γ₂₁时为“较小”，相干泵浦Ω_c＝60～120Γ₂₁，对信号光有较大的正常色散；在非相干泵浦Λ＝2.5～20Γ₂₁时为“较大”，相干泵浦Ω_c＝60～120Γ₂₁，对信号光有反常色散曲线。可应用于光通信中使色散得到补偿的相干泵浦Ω_c＝60～120Γ₂₁，非相干泵浦Λ＝2.5～20Γ₂₁。

总之，本发明在四能级掺铒YAG晶体中既可以得到正常的信号光色散，又可以得到反常色散，并且可以通过改变相干泵浦和非相干泵浦来调节探测光的群折射率，能够实现色散的动态补偿。

附图说明

图1是本发明的芯层为脊形横截面的波导型器件的截面示意图。

图2是本发明的芯层为矩形横截面的波导型器件的截面示意图。

图3是本发明的色散控制系统示意图。

图4是铒离子掺杂YAG晶体的能级系统。

图5是m和n分别对应Λ＝0和Λ＝0.5Γ₂₁时的极化强度ρ₂₁对于失谐Δ_p(×Γ₂₁)的关系曲线。

图6是m和n分别对应Λ＝3Γ₂₁和Λ＝4Γ₂₁时的极化强度ρ₂₁对于失谐Δ_p(×Γ₂₁)的关系曲线。

图7是Λ＝0.5Γ₂₁时极化强度ρ₂₁的实部和虚部对于失谐Δ_p(×Γ₂₁)的关系曲线。

图8是Λ＝4Γ₂₁时极化强度ρ₂₁的实部和虚部对于失谐Δ_p(×Γ₂₁)的关系曲线。

图9是群折射率和非相干泵浦Λ(×Γ₂₁)的关系曲线。

图10是群折射率和相干泵浦Ω_c(×Γ₂₁)的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的方法。

实施例1波导型器件的结构

图1给出一种利用铒离子掺杂的YAG晶体制备的波导型器件5，其芯层的横截面为脊形分布。图1中深色部分为铒离子掺杂的YAG晶体的芯层，浅色部分为二氧化硅膜包层。所涉及的具体参数分别为：脊形的芯层下半部分高d＝1～2.7μm，脊形的芯层上半部分的矩形宽a＝3～5μm、高b＝0.8～2.5μm；上面包层高c＝3.5～50μm，下面包层高e＝3.5～50μm。

图2给出另一种利用铒离子掺杂的YAG晶体制备的波导型器件5，其芯层的横截面为矩形分布。图2中深色部分为铒离子掺杂的YAG晶体的芯层，浅色部分为二氧化硅膜包层。横截面为矩形的芯层宽a＝3～5μm、高b＝0.8～5.2μm。

铒离子掺杂的浓度最好为0.52at.％。

实施例2色散控制系统

色散控制系统参见图3。图3中，1为信号光，信号光是波长在1500～1600nm范围，2为相干泵浦，可以是波长为1693.77nm的半导体激光器，3为非相干泵浦，可以是波长为976nm的半导体二极管，4为光耦合器，5为波导型器件，6为光纤。

光耦合器4把信号光1、相干泵浦2及非相干泵浦3通过光纤6耦合入波导型器件5，从波导型器件5另一端出射的光再由光纤6耦合出来。所用的光耦合器4可以是具有四个光纤接口的星型耦合器；波导型器件5结构见实施例1。

实施例3铒离子掺杂YAG晶体的能级系统

如图4所示，铒离子掺杂YAG晶体的能级系统中，|1>，|2>，|3>，|4>四个能级分别对应Er³⁺的⁴I_15/2，⁴I_13/2，，⁴I_11/2，⁴I_9/2能级。在这个能级系统中，非相干泵浦Λ加在能级|1>和能级|3>之间，把粒子从能级|1>泵浦到能级|3>，并且通过自发辐射快速的驰豫到能级|2>。相干泵浦E_c加在能级|2>和能级|4>之间，拉比频率是Ω_c，信号光加在能级|2>和能级|1>之间，拉比频率是Ω_p。信号光和相干泵浦的失谐定义为Δ_p＝ω_p-(ω₂-ω₁)，Δ_c＝ω_c-(ω₄-ω₂)。Γ_i是|i>能级的自发辐射速率。

实施例4固定相干泵浦考察不同非相干泵浦对信号光失谐的影响

图5给出极化强度ρ₂₁对于信号光失谐Δ_p(×Γ₂₁)的函数图像。其中固定信号光拉比频率为Ω_p＝1Γ₂₁和固定相干泵浦拉比频率为Ω_c＝80Γ₂₁。曲线m和曲线n分别对应非相干泵浦Λ＝0和A＝0.5Γ₂₁时的信号光失谐Δ_p情况。ρ₂₁的实部(图5中实线)对应波导型器件5的群折射率n_g，虚部(图5中虚线)对应波导型器件5的吸收。

图6给出极化强度ρ₂₁对于信号光失谐Δ_p(×Γ₂₁)的函数图像。其中固定信号光拉比频率为Ω_p＝1Γ₂₁和固定相干泵浦拉比频率为Ω_c＝80Γ₂₁。曲线m和曲线n分别对应非相干泵浦Λ＝3和Λ＝4时的信号光失谐Δ_p情况。ρ₂₁的实部(图6中实线)对应波导型器件5的群折射率n_g，虚部(图6中虚线)对应波导型器件5的吸收。

在没有非相干泵浦时，本发明的色散控制系统是一个传统的电磁感应光透明的梯形模型。在这种情况下，在两个吸收峰之间将出现透明的正的色散，如图5、图6所示，并会导致探测光群速度的减慢。随着非相干泵浦的强度越来越大，系统对信号光将从吸收变为放大。从图5和图6中的虚线(吸收或增益)可以看出，随着非相干泵浦的增大两个吸收峰逐渐变小并进一步变为两个增益峰。

由图5可知，透明的正的色散存在于两个吸收峰之间，并且随着非相干泵浦的增大色散的斜率变小。

由图6可知，透明的反常色散存在于两个增益峰之间，并随着非相干泵浦的增大色散的斜率变大。

实施例5固定非相干泵浦考察相干泵浦对探测光吸收和折射率的影响

图7和图8给出极化强度ρ₂₁的实部(实线)和虚部(虚线)对于失谐Δ_p(×Γ₂₁)的函数图像。图7中固定Ω_p＝1Γ₂₁，Λ＝0.5Γ₂₁；在图8中固定Ω_p＝1Γ₂₁，Λ＝4Γ₂₁。m和n分别对应相干泵浦Ω_c＝80Γ₂₁和Ω_c＝120Γ₂₁的情况。

从图7和图8中可以发现，随着耦合场的加大，透明窗口变宽，正的(负的)色散的斜率变小。

实施例6群折射率和非相干泵浦Λ、相干泵浦Ω_c的关系

利用铒离子掺杂浓度为0.52at.％的YAG晶体中的各种参数，代入计算来考察强相干泵浦和非相干泵浦对信号光的群折射率n_g的调节。

图9显示了群折射率和非相干泵浦Λ(×Γ₂₁)的关系。其中Ω_p＝1Γ₂₁，Ω_c＝120Γ₂₁。在图9中，固定Ω_c考虑群折射率n_g在中心频率Δ_p＝0处随非相干泵浦的变化。折射率n_g随非相干泵浦的增加而增加，并从正值变为负值，同时探测光的群速度也将从小于光速变为超光速。

图10给出群折射率(×10¹³)和强相干泵浦Ω_c(×Γ₂₁)的关系。其中Ω_p＝1Γ₂₁，Ω_c＝120Γ₂₁。实线对应Λ＝0.5Γ₂₁.虚线对应Λ＝4.0Γ₂₁。在图10中给出了当Λ＝0.5Γ₂₁和Λ＝4.0Γ₂₁时群折射率n_g随相干泵浦的变化。从中可以发现，无论群折射率为正还是为负，它都随着强相干场的增加而减少。