基于光子晶体光纤Sagnac环的超宽带全光波长转换开关

随着光信号处理和全光信息系统的飞速发展，人们迫切需要新型全光逻辑器件，它是当前全光信号处理领域的研究热点之一。全光波长转换开关作为一项重要的技术，可以用来增强光网络的重构性、无阻塞能力和波长复用等性能。与基于光电混合的波长转换器相比，全光信号波长转换技术具有抗电磁辐射及处理速度快这两大独特优点，可应用于近地面爆炸辐射、空间辐射等检测。

      迄今为止，已经有很多种实现全光波长转换开关的方法被验证。主要方法有交叉增益调制(XGM)，交叉相位调制(XPM)，四波混频(FWM)。交叉增益调制一般是由半导体光放大器(SOA)来实现的。但是由于SOA的载流子恢复时间较长，大大限制了波长转换开关的速度。XPM和FWM是两种响应时间在亚皮秒(或飞秒)量级的三阶非线性效应。光纤由于其极小的纤芯和极长的相互作用长度，是一种很好的实现XPM和FWM的非线性材料。一般来说，波长转换的效率取决于泵浦光的功率、光纤长度、非线性系数以及色散。为了获得较高的转换效率，通常采用几公里长的普通单模光纤或者几百米长的传统高非线性光纤。如果使用高非线性的非石英光纤，可以将光纤长度减小到十几米甚至几米，这将增加系统的紧凑性和鲁棒性。但由于高非线性非石英光纤具有较大的色散，这将降低脉冲的质量且限制可用的带宽。

      2005年，K．K．Chow等人使用64m长的PCF光纤实现了波长转换，波长转换范围可以达到40nm(1535～1575nm)。2012年，John P．Mack等人使用20 m长的非线性双折射PCF光纤实现了四通道全光波长转换。本文提出了一种基于10m长的PCF光纤组成的非线性光纤Sagnac环的全光波长转换开关。使用这种结构，我们实现了在同一个非线性光纤环镜中基于XPM和FWM的波长转换，并且产生的闲频光可以覆盖整个C+L波段。本文采用的实验装置简单且易于实现，仅采用10m长的PCF光纤就实现了更大的波长调节范围，可以覆盖整个C+L波段。

1 实验系统装置图

      实验系统装置如图1所示。系统由一个分光比为1：1的耦合器(OC2)和一个分光比为1：9的耦合器(OC1)组成Sagnac环非线性光纤环镜，并且在Sagnac环中接入一段10m长的PCF光纤。信号光由可调激光器产生，经过掺饵光纤放大器(EDFA)放大后，分别经过隔离器(ISO)、偏振控制器(PC)、可调衰减器(VOA)后，由1：1耦合器(OC2)的一个端口接入Sagnac环中。飞秒激光器产生的泵浦光经过带宽为△λ=1．9nm，中心波长可调λ=1550nm的带通滤波器(BPF)后，经过EDFA放大，再经过ISO、PC和VOA后，输入到1：9耦合器(OC1)的分光比为9的端口。实验中使用的飞秒激光器重复频率为37 MHz，平均输出功率大于40mW。PCF光纤在1550nm处的非线性系数γ=～ll(Wkm)-1。信号光和泵浦光同时注入Sagnac非线性光纤环镜后，其输入光功率足够大，并且PCF光纤具有很高的非线性系数，从而在环中产生了FWM现象。

2 实验结果及分析
2．1 全光波长转换开关的实现

      首先信号光波长被设定为λc=1500nm，经过EDFA、隔离器，偏振控制器和可调衰减器后，由OC2的一个端口输入Sagnac环。输入OC2之前，信号光平均功率约为10dBm。泵浦光由飞秒激光器产生，经过带宽△λ=1．9 nm，波长λ=1550nm的带通滤波器，再分别经过EDFA、ISO、PC和VOA后，由OC1的分光比为9的端口输入Sagnac环。输入OC1之前，泵浦光的平均功率约为11dBm。

      (a)信号光和泵浦光同时输入后产生的四波混频光谱图；(b)只有泵浦光输入的光谱图；(c)带通滤波器滤出的闲频光光谱；(d)使用示波器测量的泵浦光和闲频光的时域脉冲；在Sagnac环的输出端口，使用光谱仪和示波器同时观测实验结果。通过优化实验系统中的三个PCs，可使得输出光谱的FWM效应达到最佳状态，结果如图2所示。图2(a)为信号光和泵浦光同时输入时产生的FWM效应，可以看出，FWM产生的新频率分量(闲频光)和信号光对称分布在1550nm的泵浦光两侧，闲频光波长为1600 nm。图2(b)是只有泵浦光输入的情形，此时没有FWM效应。图2(c)是在Sagnac环的输出端口，使用带宽为14 nm的带通滤波器滤出的闲频光光谱。由图2(a)可以看出，信号光和泵浦光频谱均被展宽，这是由于在发生FWM效应的同时，还发生了自相位调制和交叉相位调制。由于PCF光纤具有很高的非线性系数，因此在本论文实验中很容易满足交叉相位调制产生的条件：

    2γPpl=π              (1)
    式中γ是光纤的非线性系数，是光脉冲的峰值功率，l是光纤环路长度。值得一提的是，PCF光纤的高非线性系数和平坦的低色散特性可大大降低光纤长度并且可以在C+L波段上忽略走离效应。

产生FWM效应必须满足如下相位匹配条件：
   
    式中Ωs表示频率偏移，β2表示群速度色散系数。本文实验中所使用的PCF光纤的色散变化在1510～1620nm波长范围内小于1．7ps／nm ／km，可确保在带宽高达100 nm范围内产生FWM效应。
    图2(d)是使用示波器同时观测到的泵浦光和闲频光的时域脉冲。可以看出闲频光脉冲和泵浦光脉冲的重复频率都是37MHz，证明它们之间是完全同步的，从而验证了其全光波长转换开关特性。但由于非线性光纤环镜自身具有一定长度(包括PCF光纤和耦合器)，因此闲频光和泵浦光之间存在一个固定的时延。

2．2 信号光波长的依存性
    保持泵浦光波长λp=1550nm不变，通过改变信号光波长，我们重复了上述实验，其结果如图3所示。图3(a)、(b)分别为信号光波长λc=15 10nm和λc=1520nm时的FWM；图3(c)、(d)分别为λc=1510nm和λc=1520nm对应的时域响应结果。实验结果验证了全光波长转换开关可对宽带范围内的不同信号光波长均有效响应。

(a)信号光波长为1510nm的四波混频；(b)信号光波长为1 520nm的四波混频；(c)信号光波长为1510nm的波长转换开关时域图(d)信号光波长为1520nm的波长转换开关时域图。
2．3 泵浦光波长的依存性
    为了研究泵浦光波长对全光波长转换开光和FWM的影响，我们还开展了如下实验。信号光波长固定在λc=1500nm；泵浦光波长λp由1545nm增加至1555nm，每增加1nm的实验结果在图4中比较。可以看出，固定信号光波长不变，随着泵浦光波长变化，产生的闲频光随着泵浦光波长的变化而变化，并始终保持与信号光关于泵浦光中心波长对称。

3 结束语
    本文基于10m长的PCF光纤实现了重复频率为37MHz的全光波长转换开关。利用PCF光纤的高非线性及超宽带色散平坦特点，我们在同一个非线性光纤环镜中实现了覆盖整个C+L波段的全光波长转换开关。我们的实验系统具有结构简单、鲁棒性强、抗电磁干扰等优点，其响应速度高达亚皮秒量级，有望在宽带全光网络、辐射检测等中得到应用。