非周期宽带可调全光波长转换器的制作方法

摘要

一种光通信技术领域的非周期宽带可调全光波长转换器的制作方法。本发明选择掺杂镁的铌酸锂晶片，在晶片上制作钛扩散波导结构，计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向；然后根据得到的正负畴排列顺序对晶片进行室温电场极化改变电畴中极化方向，即对晶片进行室温电场极化，以实现晶体极化畴的周期性反转，从而在晶体中实现非周期光学超晶格；最后在晶片通光光路前设置一块偏振片，即得到非周期超晶格波长可调全光波长转换器。本发明降低了成本，能克服倍频差频级联时的转换效率凹陷以及占用通信波长的弊端；在大幅提高转换效率和不改变波长转换输出谱的前提下，实现了超宽带的N×M的波长通道转换。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光通信技术领域器件的制作方法，具体是一种基于非周期光学超晶格双波长泵浦的宽带可调全光波长转换器的制作方法。

背景技术

现有的波长转换器件，主要有基于半导体激光放大器(SemiconductorOptical Amplifier，SOA)的交叉增益调制和交叉相位调制波长转换器、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)波长转换器，但它们对输入信号的幅度、频率和相位都存在不完全透明转换的缺陷；基于SOA或无源波导，如光纤的四波混频虽是完全透明的全光转换，但它是三阶非线性过程，存在转换效率低下的问题，而且这种波长转换器噪声大，容易造成串扰，其应用有限；一般情况下，二阶非线性过程比三阶过程效率高得多，基于半导体(如砷化铝镓AlGaAs)或铁电晶体波导结构中的差频或级联效应的波长转换器，逐渐成为宽带全光波长转换器的发展方向。基于二阶非线性差频或级联效应的全光波长转换器件对信息透明，它仅是一个纯光学过程，克服了电光器件的速度瓶颈，具备低噪声、宽调节波长范围和可以同时转换多波长的特点。基于半导体或铁电畴反转波导差频或级联波长转换器是唯一全透明的方案，与其它波长转换器方案比具有明显的优势。而基于级联效应的波长转换器与基于差频效应的波长转换器相比，泵浦波长仍然在1.5μm通信波段，解决了波导传输模式问题，并且可以获得更宽的带宽。虽然基于半导体(如AlGaAs)的差频波长转换器已有演示，但目前难以实现两束光的相位匹配，另外由于波导的散射损耗，均导致转换效率低下，因而目前应用较少。

目前，基于光学超晶格波导结构的波长转换相位匹配条件极大抑制了多波长信道间的串扰，使得基于光学超晶格波导结构的波长变换器成为目前唯一可以实现组波长转换的技术，也是唯一可以实现N×M广播功能的全光波长转换技术。基于光学超晶格波导结构的波长转换器所用的二次级联效应可分为两类：一类是单泵浦倍频和差频级联效应，如：基于倍频和差频级联效应的波长可调宽带全光波长转换器的制作方法，存在以下缺点：倍频非线性系数不大，需要很高的泵浦光功率才可以得到可观的转换效率，与光通信中所要求的低泵浦功率阈值不符，单泵浦波长转换方案中，当信号光波长趋近于泵浦光波长时，转换效率会出现凹陷，因此不得不舍弃泵浦光波长附近的一些信道；另一类是双泵浦(双泵浦指两个泵浦源)和频与差频级联效应，该类方法中信号光和转换光分布在泵浦光两侧，因此至少有一个波长信道被占用，不利于通信波段的充分利用。

根据器件结构设计，基于光学超晶格波导结构的波长转换器可以分为两类：一类是基于周期光学超晶格波导结构的波长转换器；一类是基于非周期光学超晶格波导结构的波长转换器。非周期光学超晶格(Aperiodic OpticalSupperlattice，AOS)是一种新的光学超晶格结构，和周期性的光学超晶格相比，AOS可以为光参量等非线性过程提供更多的倒格失来补偿位相失配。在AOS理论中，光学样品被分成同样大小的区域，每个区域的电畴方向通过模拟退火方法(Simulated Annealing Method，SA Method)设计。在AOS光学超晶格中，虽然畴反转的周期不存在了，但是每个电畴的长度是一个固定值或者是这个固定值的整数倍。把非周期光学超晶格引入非线性光学晶体，可以同时实现多个非线性光学参量过程，或在单个参量过程发生时，可以实现宽带波长转换功能。

经对现有技术文献的检索发现，2005年，Wei Xie等人在《OpticsCommunications》上发表了“All-optical variable-in variable-outwavelength converter based on cascaded nonlinearity in aperiodic opticalsuperlattice”(《非周期光学超晶格中基于倍频差频级联效应的全光波长转换》)一文，该文介绍了利用非周期光学超晶格设计，基于EEE倍频与差频的波长转换。EEE倍频与差频级联是指参与其参量过程的基波光、信号光以及倍频光、闲频光都是在光学超晶格晶体里以非寻常光，即E光(Extraordinary)，入射或传播的。该波长转换利用的是单泵浦倍频过程，存在单泵浦功率阈值偏高，有一个波长信道被占用，以及转换效率会出现凹陷的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种非周期宽带可调全光波长转换器的制作方法，本发明利用非周期性光学超晶格中和频与差频级联的二阶光学非线性效应，采用两个功率可以更低的泵浦光波，并使两泵浦光波长的在和频宽带内可调，即可以灵活调节两泵浦光波长。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明用一种基于掺杂镁的铌酸锂(MgO:LiNbO3)晶体材料，首先在该晶片-Z表面上使用钛扩散技术，将-Z表面预溅射的钛条内扩散入掺杂镁的铌酸锂衬底，形成钛扩散波导结构；然后采计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向，根据得到的正负畴排列顺序设计非周期超晶格结构；再对晶片进行室温电场极化，在该晶片+Z面上负畴区域改变电畴极化方向；同时，采用两个泵浦光源，通过在晶片前设置偏振控制器以控制泵浦光和信号光的偏振特性为非常光，产生准位相匹配的二阶非线性和频与差频级联效应，实现一种工作在室温下，幅度、频率和位相信息全透明的，多泵浦波长通道/多信号波长通道的宽带波长转换。

本发明包括以下步骤：

(1)选择一种介电体，该介电体是一种在生长过程中长成沿介电体光轴方向自发极化的铁电单畴晶体，并且是掺杂摩尔比为5％或6.5％或7％的掺杂镁的铌酸锂(MgO:LiNbO3)，沿该介电体光轴方向切割，其厚度为0.2mm-1mm，上下表面平行且均被抛光，上下表面的法线方向即为晶体的自发极化方向；

(2)在该晶片-Z面使用钛扩散技术形成一波导层，其中，-Z面与水平面平行并面向Z轴负方向；

(3)选择适当的非周期光学超晶格的电畴宽度d和电畴数目M，d的选择要在现有室温电场极化的技术条件下实现，同时d也要小于周期性全光波长转换器的电畴宽度l；

所述的选择非周期光学超晶格的电畴宽度d和电畴数目M，是指：

①确定波长转换信号光的中心波长λ_s，设置合理的泵浦光波长λ_p1、λ_p2，计算在周期性光学超晶格条件下实现级联和频差频过程的电畴宽度l和周期Λ；

$\Lambda =2L=\frac{{\lambda }_{p1}{\lambda }_{p2}{\lambda }_s}{{\lambda }_{p2}{\lambda }_s(n_{\mathrm{ep}1}-n_{\mathrm{ei}})+{\lambda }_{p1}{\lambda }_s(n_{\mathrm{ep}2}-n_{\mathrm{ei}})+{\lambda }_{p1}{\lambda }_{p2}(n_{\mathrm{ei}}-n_{\mathrm{es}})}$

式中：λ_s------------信号光的中心波长；

λ_p1、λ_p2----泵浦1、泵浦2的波长；

n_es------------波长为λ_s的非常光折射率；

n_ep1-----------波长为λ_p1的非常光折射率；

n_ep2-----------波长为λ_p2的非常光折射率；

n_ei------------E偏振转换光的折射率；

②选择非周期光学超晶格的电畴宽度d，d的选择要在现有室温电场极化的技术条件下实现，同时也要小于周期性全光波长转换器的电畴宽度l。

③根据晶片的总长度L，电畴宽度d，计算电畴数目M；

(4)通过整个非周期光学超晶格的传输函数，计算每个样本的转换效率，具体是根据波长广播宽度确定目标平顶带宽，以信号光脉冲转换极限谱宽作为分辨率计算样本数量N。通过整个非周期光学超晶格的传输函数，计算每个样本的转换效率T(λ_α)：

$T\left({\lambda }_s\right)=\frac{1}{L}\underset{0}{\overset{L}{\int }}g\left(z\right)\exp [-\mathrm{i\Delta k}({\lambda }_s,{\lambda }_{p1},{\lambda }_{p2})z]\mathrm{dz}.$

式中T(λ_α)是转换效率样本，L是波导长度，z代表电畴的位置；g(z)代表每个电畴的方向，电畴方向为正时g(z)＝1，电畴方向为负是g(z)＝-1；Δk为相位不匹配量；

(5)根据实现广播功能所需和频泵浦波长平顶带宽，计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向，具体如下：

选定模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴的排列顺序进行优化计算使得目标函数最大。

$F=\underset{\alpha }{\Sigma }T\left({\lambda }_{\alpha }\right)-10·\mathrm{N\sigma }$

$\mu =\frac{\underset{\alpha }{\Sigma }T\left({\lambda }_{\alpha }\right)}{N};$$\sigma =\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{\alpha }{\Sigma }{(T\left({\lambda }_{\alpha }\right)-\mu )}^2}$

其中F是目标函数，T是转换效率样本，N是样本数量，μ是样本均值，σ是均方差值。

(6)根据得到的正负畴排列顺序对晶片进行室温电场极化，改变电畴的极化方向，正畴的晶体晶轴方向与负畴的晶轴方向相反，构成非周期光学超晶格，具体如下：

根据计算得到的正负畴的排列顺序，用光刻技术在晶片的+Z面制作金属格栅作为电极，每个格栅的宽度为电畴宽度d。室温下，在上下电极间施加1.1kV-5.5kV的高压脉冲(对应晶片厚度0.2mm-1mm)，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场从而使该电畴的自发极化方向反转。在无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向。因此正畴的晶体晶轴方向与负畴的晶轴方向相反。这样就在晶体中实现了非周期光学超晶格。

(7)利用所得到的非周期光学超晶格，构成波长可调宽带全光波长转换器。

在非周期光学超晶格晶体前设置一块偏振片，以控制泵浦光和信号光的偏振特性为晶体中的非常光(E光)，完成非周期光学超晶格波长可调宽带全光波长转换器的制作。

所述的+Z面与水平面平行并面向Z轴正方向，-Z面与水平面平行并面向Z轴负方向

本发明的有益效果是：

1、在掺镁铌酸锂加钛扩散波导结构中，采用不同于倍频差频级联效应的和频差频效应，使得波长转换过程中，可采用两个泵浦光波，两泵浦光功率只需单泵浦级联方案中基频泵浦光功率的一半，就能实现相同的转换效率；功率代价低，而且克服了当信号光波长趋于基频光波长时会出现的转换凹陷；

2、两泵浦波长可以选择在通讯波段C波段的两侧，可避免占用通讯波段的中间波长，有利于充分利用光纤带宽资源。

3、在掺镁铌酸锂加钛扩散波导结构中，采用非周期超晶格结构，提高了非线性转换效率，泵浦光功率只需周期性结构的五分之一即可实现相同的转换效率；大幅增加了信号光的可调范围。

4、在不降低转换效率和不改变波长转换输出谱的前提下，可实现比原倍频差频级联方案宽带更宽，功率阈值更低的N×M波长通道转换，从而实现网络的动态重组及波长路由的广播功能。

附图说明

图1为本发明实施例基于模拟退火算法的MgO:APPLN(非周期极化掺镁铌酸锂)波导结构示意图；

图2为本发明实施例中镁铌酸锂晶片的结构示意图；

图3为基于MgO:APPLN(ee-e)晶片的N×M的全光波长转换器的原型器件的工作示意图。

图中：输入信号光8个，泵浦光2个；固定泵浦光2的波长，泵浦光1的选取是在其泵浦带宽内取2个波长。然后再进行各项性能的网络系统测试，实现无串扰的，160Gbit/s以上，误码率(BER)小于10E-10的，200GHZ-100GHZ的8×2的具有广播功能的波长转换。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

(1)如图2所示，选取大小为20×10×1mm，即厚度为1mm的5％mol掺杂比的Z切割掺镁铌酸锂晶片，+/-Z面均抛光，其中+Z面与水平面平行并面向Z轴正方向，-Z面与水平面平行并面向Z轴正方向

(2)如图1所示，在-Z面用钛扩散技术制作一宽度为6μm的条波导；

(3)以λ_S＝1560nm作为通讯波段波长信号的中心波长，泵浦光2的波长λ_P2为1571.42nm，泵浦光2以1545.2nm为中心设定平顶带宽为10nm；

(4)分辨率设为2nm，确定取样数量为6；

(5)选择非周期光学超晶格的电畴宽度d＝5μm；

(6)通过整个非周期光学超晶格的传输函数，计算每个样本的转换效率T(λ_a)：

$T\left({\lambda }_s\right)=\frac{1}{L}\underset{0}{\overset{L}{\int }}g\left(z\right)\exp [-\mathrm{i\Delta k}({\lambda }_s,{\lambda }_{p1},{\lambda }_{p2})z]\mathrm{dz}.$

式中T(λ_α)是转换效率样本，L是波导长度，z代表电畴的位置；g(z)代表每个电畴的方向，电畴方向为正时g(z)＝1，电畴方向为负是g(z)＝-1；Δk为相位不匹配量。

(7)计算光学超晶格中每个电畴区域的极化方向，具体如下：

选定模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴的排列顺序进行优化计算使得目标函数最大，得到正负畴的特定排列顺序。

$F=\underset{\alpha }{\Sigma }T\left({\lambda }_{\alpha }\right)-10·\mathrm{N\sigma }$

$\mu =\frac{\underset{\alpha }{\Sigma }T\left({\lambda }_{\alpha }\right)}{N};$$\sigma =\sqrt{\frac{1}{N-1}\underset{\alpha }{\Sigma }{(T\left({\lambda }_{\alpha }\right)-\mu )}^2}$

其中F是目标函数，T是转换效率样本，N是样本数量，μ是样本均值，σ是均方差值。

(8)根据得到的正负畴排列顺序对晶片进行室温电场极化改变电畴中极化方向，构成非周期光学超晶格。具体如下：

根据(7)中计算得到的正负畴的排列顺序，用光刻技术在铌酸锂晶片的+Z面制作金属格栅作为电极，每个格栅的宽度为电畴宽度d(5μm)。高压脉冲施加于上下电极间，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场从而使该电畴的自发极化方向发生反转。在无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向。因此正畴的晶体晶轴方向与负畴的晶轴方向相反。这样就在铌酸锂晶体中实现了非周期光学超晶格。

(9)正电极与高压电源间的连接是由限制在O圈内的氯化锂电解液来接触导通的。高压电源的负电极连接在一块接地的，表面抛光的金属板上，直接与样品的-Z面接触。要保证外电场和金属电极之间有良好的欧姆接触，且要防止高压击穿。所用外电场为脉冲高压电场，由于掺镁铌酸锂晶体的矫顽场为4.5kv/mm，所以施加在厚度为1mm的掺镁铌酸锂晶片上脉冲峰值电压要大于4.5kv/mm，脉冲周期的长短与次数与电极的实际表面积有关，可通过下面公式计算得到：

$I_{\mathrm{pol}}=\frac{V_1-V_c}{R_S}-\frac{V_c}{R_{\mathrm{vm}}},$Q＝2P_sA，$t_{\mathrm{pol}}=\frac{Q}{I_{\mathrm{pol}}}$

式中I_pol为极化电流，Q是晶体表面的输运电荷，t_pol是极化时间。

如图3所示，以一8(信号光波长通道)×2(泵浦光波长通道)的波长转换为例，以λ₀＝1.56μm通讯波段波长信号E光偏振进入波导，再利用E光偏振和频光作泵浦光，与所需转换通讯波段信号光进行差频过程；所制作的可调宽带波长转换器结构中可实现泵浦波长调节带宽为10nm左右，信号波长带宽大于100nm，具有广播功能的超宽带波长转换功能。

所述泵浦光一个固定，一个在和频宽带内可调，两泵浦光均通过偏振控制器调节为非常光(E光)；输入信号光来自不同地方的光载波，通过偏振控制器调节为寻常光后，进入波分复用器后耦合到一根光纤中传输；泵浦光和信号光经耦合器耦合后进入温度可调控温炉中的MgO:APPLN晶体波导结构，出射光经分离器可得到一系列对应的转换光输出。掺镁铌酸锂波导晶片温度由控温炉设定为36.3℃。

根据国际电信联盟标准，输入信号光波长λ₁，λ₂，L，λ_S取C波段的8个波长：1546.32、1547.12、1548.92、1549.72、1550.52、1551.32、1552.12、1552.92nm，固定泵浦光2的波长λ_P2为1571.42nm，泵浦光1λ_P1a，λ_P1b选取其泵浦带宽内的2个波长：1545.72nm和1544.73nm，则可得到转换光λ_1a，λ_1b，L，λ_Sa，λ_Sb共有16个：1568.77、1569.98、1568.13、1567.31、1566.49、1565.67、1564.86、1564.05、1569.78、1568.95、1567.11、1566.29、1565.47、1564.66、1563.84、1563.03nm。然后再进行各项性能的网络系统测试，实现无串扰的，160Gbit/s以上，误码率(BER)小于10E-10的，100GHZ-50GHZ的8×2的具有广播功能的波长转换。