基于光子晶體光纖Sagnac環(huán)的超寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

摘要：文章提出了一種基于10m長(zhǎng)的光子晶體光纖(PCF)Sagnac環(huán)結(jié)構(gòu)的超寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案。所使用的PCF光纖具有非線性系數(shù)高、超寬帶范圍內(nèi)的色散平坦等特性，可實(shí)現(xiàn)基于四波混頻和交叉相位調(diào)制效應(yīng)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。通過(guò)調(diào)節(jié)連續(xù)光信號(hào)或37 MHz飛秒激光器產(chǎn)生的泵浦光的光波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)在C+L波段范圍內(nèi)的超寬帶可調(diào)諧特性。同時(shí)還測(cè)量了該結(jié)構(gòu)的時(shí)域響應(yīng)，驗(yàn)證了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)特性。
關(guān)鍵詞：波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換；光開(kāi)關(guān)；光子晶體光纖；四波混頻

0 引言
隨著光信號(hào)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(hào)處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)作為一項(xiàng)重要的技術(shù)，可以用來(lái)增強(qiáng)光網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)性、無(wú)阻塞能力和波長(zhǎng)復(fù)用等性能。與基于光電混合的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器相比，全光信號(hào)波長(zhǎng)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(cè)。
迄今為止，已經(jīng)有很多種實(shí)現(xiàn)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是由于SOA的載流子恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，大大限制了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)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(jí)的三階非線性效應(yīng)。光纖由于其極小的纖芯和極長(zhǎng)的相互作用長(zhǎng)度，是一種很好的實(shí)現(xiàn)XPM和FWM的非線性材料。一般來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的效率取決于泵浦光的功率、光纖長(zhǎng)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(zhǎng)的普通單模光纖或者幾百米長(zhǎng)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(zhǎng)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。
2005年，K．K．Chow等人使用64m長(zhǎng)的PCF光纖實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，波長(zhǎng)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(zhǎng)的非線性雙折射PCF光纖實(shí)現(xiàn)了四通道全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。本文提出了一種基于10m長(zhǎng)的PCF光纖組成的非線性光纖Sagnac環(huán)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)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(zhǎng)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(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，僅采用10m長(zhǎng)的PCF光纖就實(shí)現(xiàn)了更大的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍，可以覆蓋整個(gè)C+L波段。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖
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(zhǎng)的PCF光纖。信號(hào)光由可調(diào)激光器產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)摻餌光纖放大器(EDFA)放大后，分別經(jīng)過(guò)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(guò)帶寬為△λ=1．9nm，中心波長(zhǎng)可調(diào)λ=1550nm的帶通濾波器(BPF)后，經(jīng)過(guò)EDFA放大，再經(jīng)過(guò)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(hào)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。