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1、(10)申请公布号 CN 103399446 A (43)申请公布日 2013.11.20 CN 103399446 A *CN103399446A* (21)申请号 201310326477.4 (22)申请日 2013.07.30 G02F 1/35(2006.01) G02F 1/365(2006.01) (71)申请人 吉林大学 地址 130012 吉林省长春市前进大街 2699 号 (72)发明人 秦冠仕 秦伟平 刘来 (74)专利代理机构 长春吉大专利代理有限责任 公司 22201 代理人 张景林 王恩远 (54) 发明名称 基于弱光调控光孤子的全光波长转换器 (57) 摘要 一种。
2、基于弱光调控光孤子的全光波长转换 器， 属于光通信技术领域。由飞秒脉冲光源、 宽调 谐信号源、 耦合器、 光放大器、 光耦合器和高非线 性光子晶体光纤组成 ； 飞秒脉冲光源输出的飞秒 光脉冲和宽调谐信号源输出的弱控制光经耦合器 耦合后进入到光放大器中进行放大， 并产生交叉 增益调制效应， 放大后的光经过光耦合器耦合到 高非线性光子晶体光纤中产生光孤子。 其原理是 ： 由于交叉增益调制效应使得弱控制光在光放大器 增益带宽内的不同波长处所获得的增益不同， 因 此改变了飞秒脉冲原有的峰值功率， 而后将调节 后的飞秒脉冲导入到一段高非线性光子晶体光纤 中， 产生波长可被连续调控的拉曼光孤子， 实现 1。
3、.5 微米光纤通信波段向 2 微米大气通信波段的 波长转换。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103399446 A CN 103399446 A *CN103399446A* 1/1 页 2 1. 一种全光波长转换器， 其特征在于 ： 由飞秒脉冲光源、 宽调谐信号源、 耦合器、 光放 大器、 光耦合器和高非线性光子晶体光纤组成 ； 飞秒脉冲光源输出的飞秒光脉冲和宽调谐 信号源输出的弱控制光经耦合器耦合后进入到光放大器中进行放大，。
4、 并产生交叉增益调制 效应， 放大后的光经过光耦合器耦合到高非线性光子晶体光纤中产生光孤子， 从而实现 1.5 微米光纤通信波段向 2 微米大气通信波段的波长转换。 2. 如权利要求 1 所述的一种全光波长转换器， 其特征在于 ： 飞秒脉冲光源为飞秒锁模 光纤激光器或钛蓝宝石飞秒激光器。 3. 如权利要求 1 所述的一种全光波长转换器， 其特征在于 ： 宽调谐信号源是宽调谐单 频连续激光器， 用来产生弱控制光， 其功率范围为 W 或 mW 量级。 4. 如权利要求 1 所述的一种全光波长转换器， 其特征在于 ： 光放大器是掺杂稀土元素 的光纤放大器或半导体放大器。 5. 如权利要求 1 所述的。
5、一种全光波长转换器， 其特征在于 ： 光耦合器是透镜耦合、 光纤 焊接耦合或者对接耦合。 6. 如权利要求 1 所述的一种全光波长转换器， 其特征在于 ： 高非线性光子晶体光纤是 石英光纤、 碲酸盐光纤、 铅硅酸盐光纤、 氟化物光纤、 硫化物光纤、 硒化物光纤、 氟碲酸盐光 纤、 铋酸盐光纤、 硼硅酸盐光纤或蓝宝石光纤。 7. 如权利要求 1 所述的一种全光波长转换器， 其特征在于 ： 光放大器是掺铒光纤放大 器， 依次由 980nm 连续激光器、 980/1550nm 波分复用器、 1m 掺铒光纤、 光隔离器、 2m 掺铒光 纤、 1480/1550nm 波分复用器和 1480nm 拉曼激光。
6、器组成。 权 利 要 求 书 CN 103399446 A 2 1/5 页 3 基于弱光调控光孤子的全光波长转换器 技术领域 0001 本发明属于光通信技术领域， 具体涉及一种基于弱光调控光孤子的全光波长转换 器。 背景技术 0002 中红外 2 微米波段是重要的大气通信窗口， 尤其在军事领域有巨大的潜在应用价 值。如何在现有的 1.5 微米光纤通信波段和 2 微米大气通信窗口之间实现波长转换， 成为 一个解决现有 1.5 微米光纤通信系统和 2 微米大气通信系统之间集成的关键因素。全光波 长转换器是将多路波长相同的光信号用波长转换器转换成不同波长的光信号， 复用在同一 个根光纤中进行传输， 。
7、再在信号接收端进行解复用后在不同的光纤上进行传输。传统的全 光波长转换器的实现机理很多， 其中基于半导体光放大器的交叉增益调制型 (XGM)、 交叉相 位调制型 (XPM) 和四波混频型 (CFWM) 是现有粗波分复用和密集波分复用通信系统中实现 波长转换的主要手段并且已经实用化和商业化。 0003 传统的全光波长转换器虽然可以实现的波段已经很宽， 但是它们的主要应用集中 于1.5微米通信波段， 很难覆盖到2微米波段。 如果想把现有光纤通信系统的信号转换到2 微米波段进行大气通信， 利用现有的全光波长转换器件是无法实现的。随着高非线性光子 晶体光纤的发展， 新的基于高非线性光子晶体光纤的全光器。
8、件不断地被发明并应用于激光 和光纤通信系统中。能否利用新型高非线性光子晶体光纤具有的高非线性、 色散易于调控 和易于集成等优点， 实现现有1.5微米光纤通信波段向2微米大气通信波段的波长转换， 是 一项全新的技术挑战。 发明内容 0004 本发明的主要目的是提供一种基于弱光调控光孤子的波长转换方法实现一种全 光纤集成的 1.5 微米光纤通信波段向 2 微米大气通信窗口的波长转换的全光波长转换器。 该波长转换器具有全光集成、 易于配置和操作等优点。 其可转换的波长范围宽， 可覆盖整个 C-band， 并且可以通过改变调制度的方式进行调节 ； 还可以通过使用不同类型的光纤， 实现 高功率输出。 0。
9、005 本发明所述的全光波长转换器由飞秒脉冲光源、 宽调谐信号源 （弱控制光） 、 耦合 器、 光放大器、 光耦合器和高非线性光子晶体光纤组成。 0006 图 1 为所述全光波长转换器的原理示意图。飞秒脉冲光源 01 输出的飞秒光脉 冲 和宽调谐信号源 02 输出的弱控制光经耦合器 03 耦合后进入到光放大器 04 中进行放大， 放 大后的光经过光耦合器 05 耦合到高非线性光子晶体光纤 06 中产生光孤子， 从而实现 1.5 微米光纤通信波段向 2 微米大气通信波段的波长转换。 0007 其中飞秒脉冲光源 01 可以是任何的可产生飞秒光脉冲的激光器， 如输出不同波 长 （800nm、 106。
10、4nm、 1550nm 等） 的钛蓝宝石飞秒激光器或飞秒锁模光纤激光器 ； 输出脉冲 宽度可以是飞秒或亚皮秒量级 ； 平均功率可以是 W、 mW、 W 或者 kW 量级 ； 重复频率可以是 说 明 书 CN 103399446 A 3 2/5 页 4 GHz、 MHz、 kHz 或者几个 Hz。宽调谐信号源 02 是宽调谐单频连续激光器， 用来产生弱控制 光， 其功率范围在 W 或 mW 量级 ； 覆盖的波长范围要在光放大器的增益带宽之内， 它可以 是宽调谐的连续光信号， 也可以是宽调谐的脉冲信号。耦合器 03 用来把飞秒光脉冲和弱控 制光耦合进光放大器中。 光放大器用来放大飞秒光脉冲和弱控制。
11、光并产生交叉增益调制效 应， 它可以是掺杂稀土元素的光纤放大器或半导体放大器等所有可产生交叉增益调制效应 的光放大器， 其放大范围可以是 1m 附近、 也可以是 1.5m 附近或者 2m 附近。光耦合 器用来把经过光放大器放大后的光耦合到高非线性光子晶体光纤中， 它可以是透镜耦合， 也可以是光纤焊接或者对接等耦合方式。高非线性光子晶体光纤是产生光孤子的介质。它 可以是石英光纤、 碲酸盐光纤、 铅硅酸盐光纤、 氟化物光纤、 硫化物光纤、 硒化物光纤、 氟碲 酸盐光纤、 铋酸盐光纤、 硼硅酸盐光纤、 蓝宝石光纤以及具有相应组分的光子晶体光纤或其 它具有高非线性的光波导。其实现原理如下 ： 当飞秒光。
12、脉冲和弱控制光被同时输入到光放 大器后， 由于交叉增益调制效应使得弱控制光在光放大器增益带宽内的不同波长处所获得 的增益不同， 因此改变了飞秒光脉冲的峰值功率， 即， 通过在增益带宽附近调节弱控制光的 波长， 可有效地调节飞秒光脉冲的峰值功率 ； 而后， 将调节后的飞秒光脉冲耦合到高非线性 光子晶体光纤中， 产生波长可被连续调控的拉曼光孤子， 从而实现了弱光调控的全光波长 转换。 附图说明 0008 图 1 ： 全光波长转换器的原理示意图 ； 0009 图 2 ： 实施例 1 中所述全光波长转换器的结构示意图 ； 0010 图 3 ： 实施例 1 中所述 EDFA 结构图 ； 0011 图 4。
13、 ： 实施例 1 中所述 EDFA 的增益谱 ； 0012 图 5 ： 实施例 1 中所述在不同弱控制光功率下飞秒脉冲所获得的增益随泵浦光的 变化曲线 ； 0013 图 6 ： 实施例 1 中所述的高非线性碲酸盐光子晶体光纤的色散曲线， 插图对应的光 纤截面图 ； 0014 图 7 ： 实施例 1 中所述弱控制光的功率为 0.05mW 时， 调谐弱控制光波长从 1520-1600nm， 测得的弱控制光波长和光孤子波长的依赖关系曲线 ； 0015 图8 ： 实施例中弱控制光的功率为0.5mW时， 调谐弱控制光波长从1520-1600nm， 测 得的弱控制光波长和光孤子波长的依赖关系曲线 ； 00。
14、16 图9 ： 实施例中弱控制光的功率为1.0mW时， 调谐弱控制光波长从1520-1600nm， 测 得的弱控制光波长和光孤子波长的依赖关系曲线 ； 0017 图 10 ： 实施例中弱控制光的功率为 1.5mW 时， 调谐弱控制光波长从 1520 1600nm， 测得的弱控制光波长和光孤子波长的依赖关系曲线 ； 0018 图 11 ： 实施例中弱控制光功率为 1.5mW 时， 弱控制光的波长为 1550nm 且为脉冲信 号。利用该全光波长转换器实现的从 1550nm 到 1955nm 的波长转换的示意图 ； 0019 图 12 ： 实施例中当弱控制光功率为 1.5mW 且弱控制光和飞秒光脉冲。
15、的重复频率一 致时， 利用该全光波长转换器实现的从 1550nm 到 1955nm 的波长转换的示意图 ； 0020 图 13 ： 实施例中该波长转换器应用在多路时分复用系统中的示意图 ； 说 明 书 CN 103399446 A 4 3/5 页 5 0021 图 14 ： 实施例中在多路时分复用系统中， 把一路 980nm 的脉冲信号加载到 EDFA 上 的示意图 ； 0022 图 15 ： 实施例中在多路时分复用系统中， 把一路 980nm 的脉冲信号加载到 EDFA 上， 调节该路 980nm 脉冲信号与飞秒脉冲和控制光信号同步， 可控制不同时隙的光孤子波 长从 1955nm（如图中虚线。
16、所示） 移动到 1974nm（如图中实线所示） ； 0023 图 16 ： 实施例中为当弱控制光功率为 0.05mW 时， 可实现一路 1550nm 信号到两路 反相孤子脉冲信号 1940nm 和 1955nm 的波长转换。 具体实施方式 0024 本发明提供一种基于弱光调控光孤子的全光波长转换器。 以下结合附图对本发明 进行详细说明。 0025 实施例 1 ： 0026 本发明提供一种基于弱光调控光孤子的全光波长转换器， 如图 2 所示， 该系统包 括飞秒脉冲光源 11、 宽调谐信号源 12 （弱控制光） 、 耦合器 13、 光放大器 14、 光耦合器 15、 高 非线性光子晶体光纤 16 。
17、和光谱分析仪 17 组成。 0027 当飞秒光脉冲和弱控制光被同时输入到光放大器 14 后， 由于交叉增益调制效应 使得弱控制光在光放大器增益带宽内的不同波长处所获得的增益不同， 因此改变了飞秒光 脉冲的峰值功率， 即， 通过在增益带宽附近调节弱控制光的波长， 可有效 地调节飞秒光脉 冲的峰值功率 ； 而后， 将调节后的飞秒光脉冲耦合到高非线性光子晶体光纤中， 产生波长可 被连续调控的拉曼光孤子， 从而实现了弱光调控的全光波长转换。 0028 本实施例中所述飞秒脉冲光源为 980nm 半导体激光二级管泵浦的环形腔锁模光 纤激光器 1。该环形腔锁模激光器可以产生中心波长为 1560nm 的飞秒光。
18、脉冲， 脉冲宽度 为 470fs， 平均功率为 0.2mW， 重复频率为 50MHz。 0029 本实施例中所述宽调谐信号源 （弱控制光） 为宽调谐单频连续激光器， 用于产生弱 控制光。具体型号为 Tunics Plus CL/WB， 波长调谐范围为 1490 1640nm， 波长最小调谐 步长 0.001nm， 最大输出功率 13mW。 0030 本实施例中所述耦合器为 3dB 耦合器， 具体型号为 WIC-22-1550-50/50-1， 插入 损耗为 3.07dB。 0031 本实施例中所述光放大器为一个自制的两级掺铒光纤放大器 （EDFA） ， 其增益带宽 为41nm。 其结构如图3所。
19、示该， 放大器由980nm连续激光器21、 980/1550nm波分复用器22、 1m 掺铒光纤 23、 光隔离器 24、 2m 掺铒光纤 25、 1480/1550nm 波分复用器 26 和 1480nm 拉曼 激光器 27 组成。掺铒光纤的型号为 ER80-8-125， 其在 1530nm 处吸收为 80dB/m， 数值孔径 NA为0.13 ； 在1550nm处模场直径为9.5m。 其中一级泵浦为980nm连续激光器， 二级泵浦 为 1480nm 拉曼激光器。其增益谱如图 4 所示， 此时的弱控制光的功率为 0.05mW， 一级泵浦 980nm 连续激光器泵浦功率为 140mW， 二级泵浦。
20、 1480nm 拉曼激光器泵浦功率为 204mW， 我们 可以看到最大增益位置在 1560nm 处， 最大增益为 27.6dB， 3dB 带宽覆盖从 1531 1572nm， 在 3dB 带宽范围内可以实现有效的交叉增益调制， 进而实现波长转换。图 5 为测得飞秒光 脉冲增益随 1480nm 拉曼激光器功率的变化曲线， 方块为不加弱控制光时的增益曲线。弱控 制光的波长为 1560nm， 圆圈为弱控制光的光功率为 0.05mW 时的增益曲线， 三角为弱控制光 说 明 书 CN 103399446 A 5 4/5 页 6 的光功率为 0.17mW 时的飞秒光脉冲所获得的增益， 从图中我们可以看出，。
21、 当加上弱控制光 之后， 飞秒光脉冲所获得的增益随弱控制光的功率的增大而减小。用交叉增益的方式可以 有效控制飞秒光脉冲所获得的增益。 该放大器具有较宽的增益带宽， 而且增益平坦性较好， 适宜实现宽带的交叉增益调制。 0032 本实施例中所述的光耦合器为透镜耦合方式， 具体型号为 Newport F10B 和 FL40B400.47NA 非球面透镜。 0033 本实施例中所述高非线性光子晶体光纤为高非线性碲酸盐光子晶体光纤 2。图 6 为本实施例中用到的高非线性碲酸盐光子晶体光纤的色散曲线， 中间的插图为光纤的截 面图。该高非线性碲酸盐光子晶体光纤的芯径为 1.1 微米， 其包层由六个 5.5 。
22、微米的空气 孔组成。 其在1560nm处的非线性系数为5700km-1W-1。 其在1560nm处的色散为-720ps2km-1。 在本实施例中用到的光纤长度为 20cm。该光纤具有很高的非线性， 利用很短的光纤在较低 的泵浦功率下即可产生孤子自频移， 而且通过改变结构可以较容易调控其色散特性， 是一 种较为理想的非线性产生介质。 0034 本实施例中还用到光谱分析仪 17， 对产生的光孤子的光谱进行测量。具体型号为 Yokogawa AQ6375， 波长测量范围 1200 2400nm， 最小分辨率 0.05nm， 灵敏度 -70dBm。 0035 本实施例中， 进入 EDFA 中的 156。
23、0nm 的飞秒光脉冲平均功率为 0.2mW 和弱控制光 功率为 0.05mW。此时调谐弱控制光波长， 由于在不同波长的增益不同， 通过改变波长， 可以 改变飞秒光脉冲在 EDFA 中所获得的增益， 从而可以改变光孤子的波长。如图 7 所示， 此时 调谐弱控制光波长从 1545 1560nm 可控制光孤子波长在 1958 1883nm 范围内移动， 由 于增益谱左右对称， 调谐弱控制光波长从 1560 1585nm 也可控制光孤子波长在 1883 1958nm范围内移动。 其中在2115nm附近出现的为色散波， 是由光孤子碰到第二个零色散波 长所产生的。 0036 如图 8 所示当把弱控制光功率。
24、提升到为 0.5mW 时， 调谐弱控制光波长从 1536 1560nm 可控制光孤子波长在 1958 1614nm 范围内移动。同理， 调谐弱控制光波长从 1560 1584nm 也可控制光孤子波长在 1614 1958nm 范围内移动。 0037 如图9所示为固定弱控制光功率为1mW， 调谐弱控制光波长从15321555nm可控 制孤子波长在 1945 1602nm 范围内移动。同理， 调谐弱控制光波长从 1568 1588nm 也 可控制光孤子波长在 1602 1926nm 范围内移动。 0038 如图 10 所示为固定弱控制光功率为 1.5mW， 调谐弱控制光波长从 1530 1553n。
25、m 可控制光孤子波长在 1955 1604nm 范围内移动， 同理， 调谐弱控制光波长从 1570 1592nm 也可控制光孤子波长在 1604 1924nm 范围内移动。 0039 本实施例中， 当弱控制光为脉冲信号时实现波长转换的时间序列如图 11 所示。为 当弱控制光功率为 1.5mW 时， 弱控制光的波长为 1550nm 且为脉冲信号， 飞秒光脉冲的重复 频率是弱控制光的 8 倍时利用该全光波长转换器实现的从 1550nm 到 1955nm 的波长转换的 时间特性示意图。如图 10 可知， 由于当 1550nm 弱控制光存在时， 由于交叉增益调制效应， 飞秒光脉冲的功率已经降到无法有效。
26、的产生拉曼光孤子， 当脉冲信号为 “0” 时， 飞秒光脉冲 产生光孤子， 此时光孤子脉冲为 “1” ； 当弱控制光脉冲信号为 “1” 时， 飞秒光脉冲不产生光 孤子， 此时光孤子脉冲为 “0” 。所以产生的 1955nm 的光孤子信号与 1550nm 弱控制光反相。 我们同时可以看到在一个弱控制光脉冲周期里可以产生 8 个孤子脉冲。图 12 为当弱控制 说 明 书 CN 103399446 A 6 5/5 页 7 光功率为 1.5mW 且弱控制光和飞秒光脉冲的重复频率一致时， 利用该全光波长转换器实现 的从 1550nm 到 1955nm 的波长转换的示意图。 0040 本实施例中， 当波长转。
27、换器应用在多路时分复用系统中的示意图如图 13 所示。当 弱控制光为多路时分复用信号时， 利用该波长转换器可实现多路时分复用。弱控制光功率 为 2mW 时。四路弱控制光信号的波长依次为 1540nm、 1545nm、 1550nm 和 1555nm。当四路信 号按照不同的时隙输入到波长转换器中， 四路信号可同时输出到一路信号中且孤子波长为 1955nm。同时如果我们需要在不同时隙让孤子波长向更长的波长移动， 还可以在泵浦上外 加一路脉冲信号， 如图 14 所示。我们在 EDFA 的任意一级上加载一路 980nm 脉冲激光 18， 可 用来控制光孤子向长波长移动。 在增加泵浦的时隙内， 由于泵浦。
28、功率的增加， 飞秒脉冲获得 的峰值功率同时增加， 产生的孤子将向更长波长移动。如图 15 所示， 当外加一路 980nm 脉 冲信号时， 孤子波长从 1955nm 移动到 1974nm。 0041 本实施例中， 该波长转换器可实现一路 1550nm 信号到两路相位相反的孤子脉冲 信号 1940nm 和 1955nm 的波长转换。如图 16 所示， 当弱控制光功率为 0.05mW 时， 可实现一 路 1550nm 信号到两路相位相反的孤子脉冲信号 1940nm 和 1955nm 的波长转换。当弱控制 光的功率为 0.05mW。有一路 1550nm 的脉冲信号输入到该波长转换器中， 当弱控制光信号。
29、 为 “1” 时， 由图 7 可知， 光孤子的波长在 1940nm 附近。当弱控制光信号为 “0” 时， 光孤子的 波长在 1955nm 附近。此时可实现同时输出两路孤子信号的输出。一路为 1940nm 的孤子信 号另一路为 1955nm 的孤子信号， 且两路信号的相位相反。该特性可用于幅度调制信号的解 调。 0042 上述实施例仅用于说明本发明， 而非用于限定本发明。 0043 参考文献 0044 1 田琪军， 光纤中基于受激布里渊散射的脉冲压缩及超连续谱产生的研究 D, 吉林省长春市前进大街 2699 号 , 吉林大学硕士学位论文学号 ： 2009512074,2012 年 5 月 31 。
30、日 ,P35-p38 0045 2Optics Express VOL17,2009,12174-12182M.Liao,C.Chaudhari,G.Qin,X. Yan,T.Suzuki,Y.Ohishi:“Tellurite microstructure fibers with small hexagonal core for supercontinuum generation” 。 说 明 书 CN 103399446 A 7 1/5 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103399446 A 8 2/5 页 9 图 4 图 5 图 6 图 7 图 8图 9 说 明 书 附 图 CN 103399446 A 9 3/5 页 10 图 10 图 11 图 12 说 明 书 附 图 CN 103399446 A 10 4/5 页 11 图 13 图 14 图 15 说 明 书 附 图 CN 103399446 A 11 5/5 页 12 图 16 说 明 书 附 图 CN 103399446 A 12 。