一种分段准相位匹配晶体全光波长转换器的设计方法

摘要

一种分段准相位匹配晶体全光波长转换器的设计方法，所述方法在给定基于双通构型级联SHG+DFG效应的全光波长转换方案的分段结构PPLN晶体模型的约束条件后，分别在不同温度下寻找满足此约束条件时，分段结构PPLN晶体模型的结构参数，然后确定结构参数随温度变化的关系式，最后根据该关系式和全光波长转换器的工作温度确定分段结构PPLN晶体的波长转换器的设计参数。本发明在全光波长转换器的设计过程中充分考虑了温度变化对转换特性的影响，利用该方法对宽带波长转换器的结构参数进行设计，不仅可使波长转换器在工作温度下保持较高且平坦的波长转换效率，而且可以极大地扩展波长转换带宽。

说明书

技术领域

本发明涉及一种分段准相位匹配晶体的全光波长转换器的设计方法，可使全光波长转换器在工作温度下保持较高且平坦的波长转换效率，并极大地扩展波长转换带宽，属于光学元件技术领域。

背景技术

随着网络业务的高速增长，各类宽带和多媒体业务的市场不断增长，高速大容量的综合业务网络已成为现代通信网络的发展趋势。全光通信网正从之前的点对点通信向多波长光纤网络方向快速发展，利用光学非线性效应实现对高速光信号的全光处理已成为光网络发展的需求之一，而如何对网络中的多波长信号进行传输、控制和交换已成为亟待解决的问题。

众所周知，全光波长转换技术是解决波长竞争，实现波长再利用的关键技术。随着对波长转换技术的研究，目前实现波长转换的方案已有很多种。近年来，利用准相位匹配（QPM）技术实现全光波长转换成为了波长转换领域的研究热点，与其它波长转换技术相比它具有许多无法比拟的优点，如基于QPM晶体的波长转换器具有转换效率高、转换速度快、无附加噪声和啁啾、对信号光速率和调制格式完全透明等优点。

在QPM晶体中实现1.5μm波段信号光波长转换的最简单的方法是利用差频（DFG）过程，然而此时所需的泵浦光不处于光通信波段，因此很难同时将信号光和泵浦光一起入射到波导当中。为了解决这个问题，人们在DFG之前级联了另外一个二阶非线性过程：倍频(SHG)过程或和频(SFG)过程，使得所需的泵浦光和信号光都处于1.5μm波段，相应的级联二阶非线性过程被称为级联SHG+DFG和级联SFG+DFG。级联SFG+DFG具有两个泵浦源，因此可通过调节其中一束泵浦光的波长来实现可调谐波长转换。相对级联SFG+DFG而言，级联SHG+DFG只需要一个泵浦源，所以降低了实验系统的复杂性，简化了实验操作。根据倍频光(或和频光)在晶体中的传输次数，级联二阶非线性过程又可分为单通和双通两种构型，不同的构型会对波长转换器的特性产生不同的影响。

波长转换过程除应具有高的转换效率外，还需要有大的转换带宽及好的平坦性，特别是对于波分复用WDM系统的多信道波长转换（宽带转换）而言，后者要求更为重要。而基于均匀周期QPM晶体的波长转换器的转换带宽很小（在60nm左右）。虽然个别方案获得了较大的转换带宽，但带宽大小还无法让人满意。已有研究表明，利用非均匀的极化周期结构，如线性啁啾结构、分段结构、分段相移结构或多波长相位匹配结构等可以有效地扩展转换带宽，提高泵浦稳定性，不过这些研究都是只针对单一的SHG效应或DFG效应。

近些年Tehranchi等人提出了一种阶梯啁啾光栅（SCG）结构，并利用这种结构对基于“SFG+DFG”效应的波长转换器进行了研究，获得了良好的平坦特性，但转换带宽不大（约90nm），且没有考虑温度对结构设计的影响。此外，SCG结构中每一段的极化周期较前一段而言只能是单调上升或者单调下降的变化，且变化值固定不变，使得结构不灵活，造成多段情况下的转换带宽反而比均匀周期结构的更小，而且也没有考虑波长可调的情况。清华大学的张汉一、郭奕理研究组利用分段结构PPLN晶体对直接基于DFG效应的波长转换方案进行了理论分析，得到了超过130nm的转换带宽，但是他们的研究只针对单一的DFG效应。

基于QPM技术的波长转换方案的可行性和有效性毋庸置疑，方案的技术优势也很明显，不过还存在着一些不足：对于WDM光通信系统，若想获得平坦的超宽带波长转换特性，应采用非均匀周期结构的QPM晶体，而设计出符合要求的非均匀周期结构较困难；对于同一种结构，当温度变化时结构的优化设计参数也应发生改变，而考虑温度变化的非均匀周期QPM晶体结构优化设计及以此为基础的宽带波长转换方案却罕见报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种分段准相位匹配晶体全光波长转换器的设计方法，它能在保持较高且平坦的波长转换效率的同时，极大地扩展波长转换带宽。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种分段准相位匹配晶体全光波长转换器的设计方法，所述方法在给定基于双通构型级联SHG+DFG效应的全光波长转换方案的分段结构PPLN晶体模型的约束条件后，分别在不同温度下寻找满足此约束条件时，分段结构PPLN晶体模型的结构参数，然后确定结构参数随温度变化的关系式，最后根据该关系式和全光波长转换器的工作温度确定分段结构PPLN晶体的波长转换器的设计参数。

上述分段准相位匹配晶体全光波长转换器的设计方法，所述方法包括以下步骤：

a.给出基于双通构型级联SHG+DFG效应的分段结构PPLN晶体的模型：

PPLN晶体总长度为L，沿着光的传播方向（x轴正向）将晶体平均分成m段，每段的长度为Li=L/m，每段晶体都对应一个统一的极化周期，其中第i段的极化周期为                                                （i=1,2,3,…,m）；

b.给定波长转换特性的约束条件，设置初始条件，在某一确定温度下寻找满足此约束条件时的结构参数：

①波长转换特性的约束条件包括：最高转换效率、平坦度（即最大转换效率-3-dB带宽范围内的中心转换效率）；初始条件包括：泵浦光初始功率、波长、信号光功率及波长变化范围、倍频与差频过程的有效相互作用面积以及PPLN晶体的有效非线性极化系数；

②在某一确定温下，利用龙格-库塔法对基于SHG+DFG的全光波长转换过程的耦合方程进行求解，得到满足约束条件时所有的PPLN晶体极化周期值；

c.获取不同温度下符合约束条件的结构参数：

根据Sellmeier公式，确定基于PPLN晶体波长转换器的温度适用范围，在此温度范围内，每隔一定的温度间隔取一个温度测试点，在不同温度测试点下，重复步骤b，得到所有温度测试点下的PPLN晶体的极化周期值；

d.确定结构参数随温度变化的关系式；

e.确定分段结构PPLN晶体的波长转换器的最终设计参数：

根据波长转换器所处工作温度，利用步骤d得到的结构参数随温度变化的关系式进行计算，最终确定在给定温度时分段结构PPLN晶体的设计参数。

上述分段准相位匹配晶体全光波长转换器的设计方法，确定结构参数随温度变化关系式的具体步骤如下：

首先，对步骤c中得到的不同温度测试点下的PPLN晶体极化周期值进行筛选，筛选方法为：在每个温度测试点下，利用步骤c得到的PPLN晶体极化周期值计算波长转换3-dB带宽，随后从3-dB带宽中找出相对最大的10个带宽值，获得这10个带宽值对应的极化周期值；

其次，利用曲线拟合方法获得结构参数随温度变化的关系式，具体方法为：选取步骤c中得到的PPLN晶体第一段对应的不同温度下的极化周期值，利用二次曲线拟合方法得到当温度从低温变化到高温时极化周期的拟合公式，随后再分别选取PPLN晶体第二段至最后一段对应的不同温度下的极化周期值，也同样利用二次曲线拟合方法得到极化周期至的拟合公式。

本发明在全光波长转换器的设计过程中充分考虑了温度变化对转换特性的影响，利用该方法对宽带波长转换器的结构参数进行设计，不仅可使波长转换器在工作温度下保持较高且平坦的波长转换效率，而且可以极大地扩展波长转换带宽。据测定，三段结构PPLN晶体的波长转换器的转换带宽可达160nm，比传统均匀周期结构的波长转换器的转换带宽（在60nm左右）大约大了100nm。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是基于双通级联SHG+DFG效应的全光波长转换器中分段结构PPLN晶体的模型；

图2是基于双通级联SHG+DFG效应的全光波长转换器中三段结构PPLN晶体的模型；

图3是极化周期随温度增加的变化关系曲线；

图4是不同温度下波长转换器的转换特性。

文中各符号为：QPM、准相位匹配，DFG、差频，SHG、倍频，SFG、和频。

具体实施方式

本发明提供了一种考虑温度变化影响的宽带波长转换器设计方法，在保持较高且平坦的波长转换效率同时，极大地扩展波长转换带宽。

本发明的技术方案的基本思路是：

（1）给出考虑温度变化影响时基于双通构型级联SHG+DFG效应的全光波长转换方案的分段结构PPLN晶体的模型。（2）给定波长转换特性的约束条件，在某一确定温度下寻找满足此约束条件时的结构参数。（3）变化温度，重复寻找每个温度下符合约束条件的结构参数。（4）确定结构参数随温度变化的关系式。（5）根据以上的关系式，最终确定考虑温度变化影响时的基于双通构型级联SHG+DFG效应的分段结构PPLN晶体的波长转换器的设计参数。

本发明具体步骤的详细描述如下：

第1步，给出考虑温度变化影响时基于双通构型级联SHG+DFG效应的全光波长转换方案的分段结构PPLN晶体的模型。

图1为基于双通级联SHG+DFG效应的全光波长转换器的分段结构PPLN晶体的模型。图中E代表光波的场分布，其下标s、c、p和SH分别代表信号光、转换光、泵浦光和倍频光，其上标d代表双通构型。PPLN晶体总长度为L，沿着光的传播方向（x轴正向）将晶体平均分成m段，每段的长度为Li=L/m，每段晶体都对应一个统一的极化周期，其中第i段的极化周期为（i=1,2,3,…,m）,即分段结构PPLN晶体的结构参数。通过合理优化设计每段晶体的极化周期即可有效的对波长转换器的转换带宽进行扩展。

第2步，给定波长转换特性的约束条件，设置初始条件，在某一确定温度下寻找满足此约束条件时的结构参数。

（1）给定波长转换特性的约束条件：最高转换效率>-10、平坦度（即最大转换效率-3-dB带宽范围内的中心转换效率），为获得尽可能宽且平坦的转换带宽和尽可能好的波长转换特性。设置初始条件：选取泵浦光初始功率为100mW的连续光，波长设定在0.775μm，信号光波长在1450nm-1680nm范围内连续变化，功率为1mW。倍频与差频过程的有效相互作用面积相等，SSH=SDF≈46.5μm2，PPLN晶体的有效非线性极化系数deff=17.2pm/V。

（2）在确定温度T=150℃下，利用龙格-库塔法对基于SHG+DFG的全光波长转换过程的耦合方程进行求解，得到满足约束条件时所有的PPLN晶体极化周期值。

第3步，变化温度，得到不同温度下符合约束条件的结构参数。

根据Sellmeier公式，确定基于PPLN晶体波长转换器的温度适用范围是25℃-250℃。在此温度范围内，每隔10℃取一个温度测试点。在不同温度测试点下，重复第2步过程，得到所有温度测试点下的PPLN晶体的极化周期值。

第4步，确定结构参数随温度变化的关系式。

首先，对第3步中得到的不同温度测试点下的PPLN晶体极化周期值进行筛选，筛选方法为：在每个温度测试点下，利用第3步得到的PPLN晶体极化周期值计算波长转换3-dB带宽，随后从3-dB带宽中找出相对最大的10个带宽值，获得这10个带宽值对应的极化周期值。

其次，利用曲线拟合方法获得结构参数随温度变化的关系式，具体方法为：选取第3步中得到的PPLN晶体第一段对应的不同温度下的极化周期值，利用二次曲线拟合方法得到当温度从25℃变化到250℃时极化周期的拟合公式。随后再分别选取PPLN晶体第二段至最后一段对应的不同温度下的极化周期值，也同样利用二次曲线拟合方法得到极化周期至的拟合公式。

第5步，确定基于双通构型级联SHG+DFG效应和分段结构PPLN晶体的波长转换器的最终设计参数。

根据不同实际情况中波长转换器所处工作温度，利用第4步得到的PPLN晶体极化周期公式进行计算，最终确定在给定温度时分段结构PPLN晶体的设计参数。

为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合一个计算实例对本发明作进一步的说明。

计算实例：

1.采用如图2所示的三段结构PPLN晶体，设PPLN晶体总长度为L，L=3cm，沿着光的传播方向（x轴正向）将晶体平均分成3段，每段的长度为Li=L/3，每段晶体都对应一个统一的极化周期，其中第i段的极化周期为（i=1,2,3）。

2.获得25℃-250℃温度范围内所有温度测试点下的三段结构PPLN晶体的极化周期值，并进行筛选和曲线拟合，得到的PPLN晶体第一段、第二段和第三段对应的极化周期值随温度的变化关系如图3所示。

得到的三个拟合公式如下：

                               （1）

                               （2）

                               （3）

图3（a）、（b）、（c）分别为第一段、第二段和第三段的极化周期随温度增加的变化关系曲线。图中的横坐标为温度，从25℃增加至250℃，纵坐标为极化周期值。图中黑点为每个温度下筛选的10个满足设定目标的极化周期值叠加而成。可以看出：随温度的增加，每段的极化周期都呈现近线性的减小。图中的实线为通过对数据作曲线拟合得到曲线。

3.根据不同实际情况中波长转换器所处工作温度，利用三段结构PPLN晶体极化周期公式进行计算，最终确定在给定温度时分段结构PPLN晶体的结构设计参数，列入表1。利用表1中不同温度下的结构设计参数，得到不同温度下波长转换器的转换特性，如图4。

表1：波长转换器的最终设计参数

图4是图3不同温度下波长转换器的转换特性。从图中可以直接看出，3-dB带宽均在150nm以上，属于超宽的波长转换器带宽，符合设定目标；其次波长转换的最大转换效率在-10dB与-5dB间起伏，平坦度也都在1dB以下浮动，符合约束条件 (最大转换效率>-10dB，平坦度<1dB)的要求。