隨著光信號處理和全光信息系統(tǒng)的飛速發(fā)展，人們迫切需要新型全光邏輯器件，它是當(dāng)前全光信號處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。全光波長轉(zhuǎn)換開關(guān)作為一項(xiàng)重要的技術(shù)，可以用來增強(qiáng)光網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)性、無阻塞能力和波長復(fù)用等性能。與基于光電混合的波長轉(zhuǎn)換器相比，全光信號波長轉(zhuǎn)換技術(shù)具有抗電磁輻射及處理速度快這兩大獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于近地面爆炸輻射、空間輻射等檢測。 \@6w;tyi
迄今為止，已經(jīng)有很多種實(shí)現(xiàn)全光波長轉(zhuǎn)換開關(guān)的方法被驗(yàn)證。主要方法有交叉增益調(diào)制(XGM)，交叉相位調(diào)制(XPM)，四波混頻(FWM)。交叉增益調(diào)制一般是由半導(dǎo)體光放大器(SOA)來實(shí)現(xiàn)的。但是由于SOA的載流子恢復(fù)時(shí)間較長，大大限制了波長轉(zhuǎn)換開關(guān)的速度。XPM和FWM是兩種響應(yīng)時(shí)間在亞皮秒(或飛秒)量級的三階非線性效應(yīng)。光纖由于其極小的纖芯和極長的相互作用長度，是一種很好的實(shí)現(xiàn)XPM和FWM的非線性材料。一般來說，波長轉(zhuǎn)換的效率取決于泵浦光的功率、光纖長度、非線性系數(shù)以及色散。為了獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，通常采用幾公里長的普通單模光纖或者幾百米長的傳統(tǒng)高非線性光纖。如果使用高非線性的非石英光纖，可以將光纖長度減小到十幾米甚至幾米，這將增加系統(tǒng)的緊湊性和魯棒性。但由于高非線性非石英光纖具有較大的色散，這將降低脈沖的質(zhì)量且限制可用的帶寬。 EJ:2]!O
2005年，K．K．Chow等人使用64m長的PCF光纖實(shí)現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換，波長轉(zhuǎn)換范圍可以達(dá)到40nm(1535～1575nm)。2012年，John P．Mack等人使用20 m長的非線性雙折射PCF光纖實(shí)現(xiàn)了四通道全光波長轉(zhuǎn)換。本文提出了一種基于10m長的PCF光纖組成的非線性光纖Sagnac環(huán)的全光波長轉(zhuǎn)換開關(guān)。使用這種結(jié)構(gòu)，我們實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)非線性光纖環(huán)鏡中基于XPM和FWM的波長轉(zhuǎn)換，并且產(chǎn)生的閑頻光可以覆蓋整個(gè)C+L波段。本文采用的實(shí)驗(yàn)裝置簡單且易于實(shí)現(xiàn)，僅采用10m長的PCF光纖就實(shí)現(xiàn)了更大的波長調(diào)節(jié)范圍，可以覆蓋整個(gè)C+L波段。 J( ,gLl
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖 'OYnLz`"6
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖1所示。系統(tǒng)由一個(gè)分光比為1：1的耦合器(OC2)和一個(gè)分光比為1：9的耦合器(OC1)組成Sagnac環(huán)非線性光纖環(huán)鏡，并且在Sagnac環(huán)中接入一段10m長的PCF光纖。信號光由可調(diào)激光器產(chǎn)生，經(jīng)過摻餌光纖放大器(EDFA)放大后，分別經(jīng)過隔離器(ISO)、偏振控制器(PC)、可調(diào)衰減器(VOA)后，由1：1耦合器(OC2)的一個(gè)端口接入Sagnac環(huán)中。飛秒激光器產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)過帶寬為△λ=1．9nm，中心波長可調(diào)λ=1550nm的帶通濾波器(BPF)后，經(jīng)過EDFA放大，再經(jīng)過ISO、PC和VOA后，輸入到1：9耦合器(OC1)的分光比為9的端口。實(shí)驗(yàn)中使用的飛秒激光器重復(fù)頻率為37 MHz，平均輸出功率大于40mW。PCF光纖在1550nm處的非線性系數(shù)γ=～ll(Wkm)-1。信號光和泵浦光同時(shí)注入Sagnac非線性光纖環(huán)鏡后，其輸入光功率足夠大，并且PCF光纖具有很高的非線性系數(shù)，從而在環(huán)中產(chǎn)生了FWM現(xiàn)象。 Q;2k bVWY
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 viS7+E|O
2．1 全光波長轉(zhuǎn)換開關(guān)的實(shí)現(xiàn) 3XjY
首先信號光波長被設(shè)定為λc=1500nm，經(jīng)過EDFA、隔離器，偏振控制器和可調(diào)衰減器后，由OC2的一個(gè)端口輸入Sagnac環(huán)。輸入OC2之前，信號光平均功率約為10dBm。泵浦光由飛秒激光器產(chǎn)生，經(jīng)過帶寬△λ=1．9 nm，波長λ=1550nm的帶通濾波器，再分別經(jīng)過EDFA、ISO、PC和VOA后，由OC1的分光比為9的端口輸入Sagnac環(huán)。輸入OC1之前，泵浦光的平均功率約為11dBm。 |oOA;JC)(
(a)信號光和泵浦光同時(shí)輸入后產(chǎn)生的四波混頻光譜圖；(b)只有泵浦光輸入的光譜圖；(c)帶通濾波器濾出的閑頻光光譜；(d)使用示波器測量的泵浦光和閑頻光的時(shí)域脈沖；在Sagnac環(huán)的輸出端口，使用光譜儀和示波器同時(shí)觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的三個(gè)PCs，可使得輸出光譜的FWM效應(yīng)達(dá)到最佳狀態(tài)，結(jié)果如圖2所示。圖2(a)為信號光和泵浦光同時(shí)輸入時(shí)產(chǎn)生的FWM效應(yīng)，可以看出，F(xiàn)WM產(chǎn)生的新頻率分量(閑頻光)和信號光對稱分布在1550nm的泵浦光兩側(cè)，閑頻光波長為1600 nm。圖2(b)是只有泵浦光輸入的情形，此時(shí)沒有FWM效應(yīng)。圖2(c)是在Sagnac環(huán)的輸出端口，使用帶寬為14 nm的帶通濾波器濾出的閑頻光光譜。由圖2(a)可以看出，信號光和泵浦光頻譜均被展寬，這是由于在發(fā)生FWM效應(yīng)的同時(shí)，還發(fā)生了自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制。由于PCF光纖具有很高的非線性系數(shù)，因此在本論文實(shí)驗(yàn)中很容易滿足 交叉相位調(diào)制產(chǎn)生的條件： F+Hmp\rM#
2γPpl=π (1) ;x{J45^
式中γ是光纖的非線性系數(shù)，是光脈沖的峰值功率，l是光纖環(huán)路長度。值得一提的是，PCF光纖的高非線性系數(shù)和平坦的低色散特性可大大降低光纖長度并且可以在C+L波段上忽略走離效應(yīng)。 ~|wh/]{b9
產(chǎn)生FWM效應(yīng)必須滿足如下相位匹配條件： kf", /?s2Z
[py/\zkn
式中Ωs表示頻率偏移，β2表示群速度色散系數(shù)。本文實(shí)驗(yàn)中所使用的PCF光纖的色散變化在1510～1620nm波長范圍內(nèi)小于1．7ps／nm ／km，可確保在帶寬高達(dá)100 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生FWM效應(yīng)。 ;2eZa|M*q
圖2(d)是使用示波器同時(shí)觀測到的泵浦光和閑頻光的時(shí)域脈沖�？梢钥闯鲩e頻光脈沖和泵浦光脈沖的重復(fù)頻率都是37MHz，證明它們之間是完全同步的，從而驗(yàn)證了其全光波長轉(zhuǎn)換開關(guān)特性。但由于非線性光纖環(huán)鏡自身具有一定長度(包括PCF光纖和耦合器)，因此閑頻光和泵浦光之間存在一個(gè)固定的時(shí)延。 8`w#)6(V
2．2 信號光波長的依存性 HFj@NRE6
保持泵浦光波長λp=1550nm不變，通過改變信號光波長，我們重復(fù)了上述實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖3所示。圖3(a)、(b)分別為信號光波長λc=15 10nm和λc=1520nm時(shí)的FWM；圖3(c)、(d)分別為λc=1510nm和λc=1520nm對應(yīng)的時(shí)域響應(yīng)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了全光波長轉(zhuǎn)換開關(guān)可對寬帶范圍內(nèi)的不同信號光波長均有效響應(yīng)。 #|l#
(a)信號光波長為1510nm的四波混頻；(b)信號光波長為1 520nm的四波混頻；(c)信號光波長為1510nm的波長轉(zhuǎn)換開關(guān)時(shí)域圖(d)信號光波長為1520nm的波長轉(zhuǎn)換開關(guān)時(shí)域圖。 PsS8b
2．3 泵浦光波長的依存性 9@p+g`o
為了研究泵浦光波長對全光波長轉(zhuǎn)換開光和FWM的影響，我們還開展了如下實(shí)驗(yàn)。信號光波長固定在λc=1500nm；泵浦光波長λp由1545nm增加至1555nm，每增加1nm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖4中比較�？梢钥闯�，固定信號光波長不變，隨著泵浦光波長變化，產(chǎn)生的閑頻光隨著泵浦光波長的變化而變化，并始終保持與信號光關(guān)于泵浦光中心波長對稱。 N*hx;k9
3 結(jié)束語 V elX+|w
本文基于10m長的PCF光纖實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率為37MHz的全光波長轉(zhuǎn)換開關(guān)。利用PCF光纖的高非線性及超寬帶色散平坦特點(diǎn)，我們在同一個(gè)非線性光纖環(huán)鏡中實(shí)現(xiàn)了覆蓋整個(gè)C+L波段的全光波長轉(zhuǎn)換開關(guān)。我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，其響應(yīng)速度高達(dá)亞皮秒量級，有望在寬帶全光網(wǎng)絡(luò)、輻射檢測等中得到應(yīng)用。
