一种基于二阶非线性的全光信息交换方法

摘要

本发明公开了一种基于二阶非线性的全光信息交换方法，该方法选用具有二阶非线性的单个光学器件，利用二阶非线性效应参量衰减和波长转换相结合的作用机理，可以在全光域内实现携带不同数据信息的波长间的信息交换功能，且信息交换对数据调制格式透明。在采用本发明所述的方法进行全光信息交换之前，需要根据二阶非线性光学器件的准相位匹配波长选择所需抽运光的波长，同时依据全光信息交换的发生条件给出所需的抽运光的光功率。本发明使用单个光学器件，方案简单易实现。在单个光学器件选择上可以灵活使用具有二阶非线性的光波导，尺寸小易集成。

权利要求

1.一种基于二阶非线性的全光信息交换方法，其特征在于，该方法包括下述步骤： 第1步以具有二阶非线性的单个光学器件作为实现全光信息交换的器件，找到该光学器件发生二阶非线性所对应的准相位匹配波长，该准相位匹配波长近似选取为发生倍频二阶非线性效应对应的准相位匹配波长λQPM； 第2步依据输入的第一、第二信号光的波长选择与之相对应的第一、第二抽运光的波长，设第一、第二信号光的波长分别为λS1、λS2，第一、第二抽运光的波长分别为λP1、λP2，第一、第二抽运光的波长满足关系式1/λP1=2/λQPM-1/λS1和1/λP2=2/λQPM-1/λS2； 第3步将第一、第二抽运光经过光学放大和滤波后，与第一、第二信号光耦合在一起并进入所述具有二阶非线性的单个光学器件；第一、第二抽运光与第一、第二信号光的偏振态通过偏振控制保持一致； 第4步在所述具有二阶非线性的单个光学器件中，第一、第二信号光发生全光信息交换，具体为：

调节两个抽运光的光功率使其满足下述全光信息交换条件即能够实现第一信号光和第二信号光间的调制格式透明的全光信息交换： 其中，PP1(0)和PP2(0)分别是输入第一抽运光和输入第二抽运光的光功率，L是所述具有二阶非线性的单个光学器件的长度，ωS1、ωS2和ωSF分别是第一信号光、第二信号光以及和频光的角频率，κ1是第一信号光和第一抽运光参与的二阶非线性效应的耦合系数，κ2是第二信号光和第二抽运光参与的二阶非线性效应的耦合系数，N取非负整数，PP1(0)和PP2(0)所满足表达式对应给出满足全光信息交换条件时两抽运光可取的光功率值； 第5步在所述具有二阶非线性的单个光学器件的输出端，得到经过了 信息交换后的两个信号光。

2.根据权利要求1所述的基于二阶非线性的全光信息交换方法，其特征在于，第1步中，所述具有二阶非线性的单个光学器件为周期极化反转铌酸锂光波导、砷化镓光波导或铝镓砷光波导。

3.根据权利要求1或2所述的基于二阶非线性的全光信息交换方法，其特征在于，第2步中，所述输入的第一、第二信号光为传统二进制开关键控调制信号，或者为差分二相相移键控信号、差分四相相移键控信号、同时含有幅度和相位调制的多级正交幅度调制信号以及正交频分复用调制信号。

4.根据权利要求1或2所述的基于二阶非线性的全光信息交换方法，其特征在于，第2步中，第一、第二信号光的波长同时在短波段，或者同时在长波段，或者一个在短波段，另一个在长波段。

5.根据权利要求1或2所述的基于二阶非线性的全光信息交换方法，其特征在于，第

3步中，采用掺铒光纤放大器进行光学放大，在光学放大后使用带通滤波器进行滤波以抑制光学放大过程引入的放大自发辐射噪声。

6.根据权利要求4所述的基于二阶非线性的全光信息交换方法，其特征在于，第3步中，采用偏振控制器调节两个抽运光和两个信号光的偏振态以保持一致。

7.根据权利要求1所述的基于二阶非线性的全光信息交换方法，其特征在于，所述两个抽运光的光功率通常取N=0对应所需两抽运光最小的光功率取值。

8.根据权利要求1或2所述的基于二阶非线性的全光信息交换方法，其特征在于，第5步中，对具有二阶非线性的单个光学器件输出的光先使用带通滤波器或者带阻滤波器进行光学滤波，再得到经过了全光信息交换的两个信号光。

说明书

一种基于二阶非线性的全光信息交换方法

技术领域

[0001] 本发明属于光通信技术，涉及一种全光信息交换方法，特别是一种利用二阶非线性参量衰减和波长转换相结合的作用来实现调制格式透明的全光信息交换的方法。

背景技术

[0002] 21世纪是信息的时代。随着人们对信息量与日俱增的迫切需求，高速、大容量、灵活的全光网络将成为未来宽带通信网发展的必然趋势，与之相匹配的网络节点处的高速全光信息处理显得至关重要。全光信息处理在全光域内进行，可以避免传统“光-电-光”信息处理电子瓶颈带来的速率限制。目前对全光信息处理的研究正在受到国内外研究学者的广泛关注，是美国、欧盟和日本政府基金计划资助的重点。作为全光信息处理的关键技术，全光波长转换以及在此基础上拓展的光逻辑、光开关和光交换等技术近年来得到了快速发展，从而有效推动了全光通信网的发展。例如，作为全光通信网的一个重要支撑技术，全光信息交换在光通信系统中发挥着重要的交通枢纽作用。高速灵活的全光信息交换技术在某种程度上决定着全光通信网的发展。

[0003] 传统波长域光信息交换技术的实现方法比较复杂，通常需要多次使用多个波长转换器。例如，如果需要交换两个光波长(λS1，λS2)所携带的数据信息，我们可以首先使用两个光滤波器进行光波长分离，然后使用两个波长转换器分别进行两次波长转换(λS1→λS2，λS2→λS1)来实现信息的交换 在每个波长转换器之后还需要使用额外的光滤波器将转换光滤出(λS2，λS1)，最后再将两个光波长合在一起，这个过程经历多次光滤波和光波长转换，需要使用两个波长转换器、四个光滤波器以及光耦合器等多个光学元器件，这大大增加了系统的复杂性和成本。2002年日本Sumitomo Electric Industries的K.Uesaka和美国斯坦福大学K.K.-Y.Wong等曾提出利用高非线性色散位移光纤中的非简并四波混频三阶非线性效应实现10 Gbit/s的波长交换，不过报道的波长交换仅针对二进制开关键控(OOK)信号，对于是否支持相位调制等先进高级调制格式未进行分析说明。在此实现方案中，由于受到光纤受激布里源散射(SBS)和拉曼放大的影响，一方面需要对参与的抽运光进行如相位调制等处理以抑制SBS，另一方面短波段和长波段的交换性能出现了明显的差异。同时，三阶非线性的交换效率也相对较低。鉴于此，为了顺应全光信息交换新的发展需求，针对以往方案存在的不足之处，需要提出新的方案，以实现仅利用单个光学器件即可以实现高速且调制格式透明的全光信息交换。这些对于推动高速大容量且灵活的全光通信网的快速发展将具有实际的应用研究价值。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种基于二阶非线性的全光信息交换方法，该方法仅仅利用单个光学器件，就可以在携带不同数据信息的两个波长间实现全光信息交换。

[0005] 本发明提供的一种基于二阶非线性的全光信息交换方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

[0006] 第1步以具有二阶非线性的单个光学器件作为实现全光信息交换的器件，找到该光学器件发生二阶非线性所对应的准相位匹配波长，该准相位匹配波长近似选取为发生倍频二阶非线性效应对应的准相位匹配波长λQPM；

[0007] 第2步依据输入的第一、第二信号光的波长选择与之相对应的第一、第二抽运光的波长，设第一、第二信号光的波长分别为λS1，λS2，第一、第二抽运光的波长分别为λP1、λP2，第一、第二抽运光的波长满足关系式1/λP1＝2/λQPM-1/λS1和1/λP2＝2/λQPM-1/λS2；

[0008] 第3步将第一、第二抽运光经过光学放大和滤波后，与第一、第二信号光耦合在一起并进入所述具有二阶非线性的光学器件；第一、第二抽运光与第一、第二信号光的偏振态通过偏振控制保持一致；

[0009] 第4步在所述具有二阶非线性的光学器件中，第一、第二信号光发生全光信息交换；

[0010] 第5步在所述具有二阶非线性的光学器件的输出端，得到经过了信息交换后的两个信号光。

[0011] 本发明方法是基于二阶非线性效应参量衰减和波长转换相结合的作用机理，在携带不同数据信息的两个波长间实现全光信息交换。具体而言，本发明具有以下技术效果：

[0012] 1.本发明所述的全光信息交换方法，相比于传统采用两个波长转换器件的方案，仅仅使用单个光学器件，方案简单易实现。在单个光学器件选择上可以灵活使用具有二阶非线性的光波导，尺寸小易集成。

[0013] 2.本发明所述的全光信息交换方法，相比于基于高非线性光纤非简并四波混频的方案，提供了另一种实现全光信息交换的新途径，并且具有一些附加的优势：①没有受激布里源散射的影响，因此抽运光不必像高非线性光纤非简并四波混频方案中那样增加如相位调制等额外的处理以抑制受激布里源散射效应；②没有拉曼放大的影响，高非线性光纤非简并四波混频方案中，由于受到拉曼放大影响，信号光在短波段和长波段的交换性能存在显著差异，基于二阶非线性的全光信息交换不受拉曼放大影响，因此可以在短波段和长波段具有相同的交换性能；③高非线性光纤非简并四波混频属于三阶非线性效应，相比之下，基于二阶非线性的全光信息交换的效率比三阶非线性要高。

[0014] 3.本发明所述的全光信息交换方法，将二阶非线性效应的参量衰减和波长转换相结合，在全光信息交换过程中没有引入额外的噪声影响，且二阶非线性效应响应速度超快，调制格式透明，因此可以应用于高速且调制格式透明的全光信息交换，这很好的顺应了未来高速大容量光通信的发展趋势。

[0015] 4.本发明所述的全光信息交换方法，具有宽带可调谐的特点，通过灵活选择抽运光的波长，即可以实现短波段两信号光间的全光信息交换，也可以实现长波段两信号光间的全光信息交换，还可以实现短波段信号光和长波段信号光间的全光信息交换，而且交换性能相近，这有利于在宽带通信波段内实现灵活的全光交换功能。

附图说明

[0016] 图1是实施例中所述的全光信息交换方法的示意图；

[0017] 图2是OOK信号光的全光信息交换示意图；

[0018] 图3是40-Gbit/s OOK信号光的全光信息交换实例；

[0019] 图4是40-Gbit/s差分二相相移键控(DPSK)信号光的全光信息交换实例；

[0020] 图5是80-Gbit/s差分四相相移键控(DQPSK)信号光的全光信息交换实例；

[0021] 图6是宽带信号光的全光信息交换示意图。

具体实施方式

[0022] 本发明所述的全光信息交换方法，选用具有二阶非线性的单个光学器件，利用二阶非线性效应参量衰减和波长转换相结合的作用机理，可以在全光域内实现携带不同数据信息的波长间的信息交换功能，且信息交换对数据调制格式透明。在采用本发明所述的方法进行全光信息交换之前，需要根据二阶非线性光学器件的准相位匹配波长选择所需抽运光的波长，同时依据全光信息交换的发生条件给出所需的抽运光的光功率。

[0023] 本发明提供了一种基于二阶非线性的全光信息交换方法，包含以下步骤：

[0024] (1)选取具有二阶非线性的单个光学器件OD作为实现全光信息交换的器件，找到该光学器件OD发生二阶非线性所对应的准相位匹配波长，该准相位匹配波长可以近似选取为发生倍频二阶非线性效应对应的准相位匹配波长λQPM。

[0025] (2)依据两个输入信号光S1、S2的波长(第一信号光S1的波长为λS1、第二信号光S2波长为λS2)选择与之相对应的两个抽运光P1、P2的波长(第一抽运光P1的波长为λP1、第二抽运光P2的波长为λP2)，其中在频率域第一抽运光P1(ωP1＝1/λP1)与第一信号光S1(ωS1＝1/λS1)关于ωQPM＝1/λQPM对称，第二抽运光P2(ωP2＝1/λP2)与第二信号光S2(ωS2＝1/λS2)关于ωQPM＝1/λQPM对称，亦即所选择的两个抽运光P1、P2的波长满足关系式1/λP1＝2/λQPM-1/λS1和1/λP2＝2/λQPM-1/λS2。

[0026] (3)将两个抽运光P1、P2经过光学放大和滤波后，与两个信号光S1、S2耦合在一起并进入具有二阶非线性的光学器件OD。两个抽运光P1、P2与两个信号光S1、S2的偏振态通过偏振控制保持一致。

[0027] (4)在具有二阶非线性的光学器件OD中，利用二阶非线性效应参量衰减和波长转换相结合的机理，第一信号光S1(ωS1＝1/λS1)的光子和第一抽运光P1(ωP1＝1/λP1)的光子通过和频效应湮灭以产生和频光(ωSF＝ωS1+ωP1＝ωS2+ωP2＝2ωQPM)的光子，和频光的光子同时通过差频效应转换为第二信号光S2(ωS2＝1/λS2)的光子和第二抽运光P2(ωP2＝1/λP2)的光子，另外，第二信号光S2(ωS2＝1/λS2)的光子和第二抽运光P2(ωP2＝1/λP2)的光子也会通过和频效应湮灭以生成和频光(ωSF＝ωS2+ωP2＝ωS1+ωP1＝2ωQPM)的光子，和频光的光子同时通过差频效应转换为第一信号光S1(ωS1＝1/λS1)的光子和第一抽运光P1(ωP1＝1/λP1)的光子。通过调节两个抽运光P1、P2的光功率，第一信号光S1原始携带的数据信息会被耗尽并复制给第二信号光S2，与此同时，第二信号光S2原始携带的数据信息也会被耗尽并复制给第一信号光S1。这样，仅仅利用单个光学器件就实现了第一信号光S1和第二信号光S2间的全光信息交换。

[0028] (5)在具有二阶非线性的光学器件OD的输出端，得到经过了全光信息交换后的两个信号光S1、S2。

[0029] 进一步的，步骤(1)中可以是周期极化反转铌酸锂(PPLN)光波导、砷化镓(GaAs)光波导、铝镓砷(A1GaAs)光波导等具有二阶非线性的光学器件。

[0030] 进一步的，步骤(2)中两个输入信号光S1、S2不仅可以是传统二进制开关键控(OOK)调制信号，还可以是差分二相相移键控(DPSK)信号、差分四相相移键控(DQPSK)信号、同时含有幅度和相位调制的多级正交幅度调制(QAM)信号以及正交频分复用调制(OFDM)信号等。两个信号光S1、S2的波长可以同时在短波段，也可以同时在长波段，还可以一个在短波段另一个在长波段。对于这三种情况，只要相应调节两个抽运光P1、P2的波长以满足关系式1/λP1＝2/λQPM-1/λS1和1/λP2＝2/λQPM-1/λS2，这样就可以在宽带范围内实现两个波长信号光间的全光信息交换。

[0031] 进一步的，步骤(3)中可以采用掺铒光纤放大器(EDFA)进行光学放大，在光学放大后使用带通滤波器(BPF)进行滤波以抑制光学放大过程引入的放大自发辐射噪声。可以采用偏振控制器(PC)调节两个抽运光P1、P2和两个信号光S1、S2的偏振态以保持一致。

[0032] 进一步的，步骤(4)中调节两个抽运光P1、P2的光功率使其满足下述全光信息交换条件即可实现第一信号光S1和第二信号光S2间的调制格式透明的全光信息交换：

[0033]

[0034] 其中，PP1(0)和PP2(0)是输入第一抽运光P1和输入第二抽运光P2的光功率，L是具有二阶非线性的光学器件的长度，ωS1、ωS2和ωSF＝ωS1+ωP1＝ωS2+ωP2＝2ωQPM是第一信号光S1、第二信号光S2以及和频光的角频率，κ1是第一信号光S1和第一抽运光P1参与的二阶非线性效应的耦合系数，κ2是第二信号光S2和第二抽运光P2参与的二阶非线性效应的耦合系数，N取非负整数，对应给出满足全光信息交换条件时两抽运光P1、P2可取的光功率值，通常取N＝0对应所需两抽运光最小的光功率取值。

[0035] 进一步的，步骤(5)中为了获得经过了全光信息交换后的信号光S1、S2，可以使用带通滤波器进行光学滤波得到两信号光S1、S2，或者也可以使用带阻滤波器实现对两抽运光P1、P2的滤除，如光纤布拉格光栅(FBG)等，从而得到两信号光S1、S2。

[0036] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

[0037] 实施例为利用单个光学器件二阶非线性效应的参量衰减和波长转换相结合的作用，实现针对40-Gbit/s OOK、40-Gbit/s DPSK和80-Gbit/s DQPSK等信号光的调制格式透明的高速全光信息交换。如图1所示，基于二阶非线性的全光信息交换方法包含以下步骤：

[0038] (1)选择具有二阶非线性的光学器件OD，其包含周期性畴反转结构，如PPLN光波导、GaAs光波导和AlGaAs光波导等。根据畴反转周期(Λ)给出发生二阶非线性所对应的准相位匹配波长，通常可以近似选择为发生倍频二阶非线性效应所对应的准相位匹配波长(λQPM)，其满足如下关系式：nSH/λSH-2nQPM/λQPM-1/Λ＝0，其中λSH＝λQPM/2为准相位匹配波长所对应的倍频光的波长，nQPM和nSH分别为准相位匹配波长和倍频光波长处的折射率。

[0039] (2)在确定二阶非线性光学器件OD准相位匹配波长(λQPM)基础之上，依据第一信号光S1的波长(λS1)和第二信号光S2的波长(λS2)进一步确定所需第一抽运光P1的波长(λP1)和第二抽运光P2的波长(λP2)。在频率域，第一抽运光P1(ωP1＝1/λP1)与第一信号光S1(ωS1＝1/λS1)关于ωQPM＝1/λQPM对称，第二抽运光P2(ωP2＝1/λP2)与第二信号光S2(ωS2＝1/λS2)关于ωQPM＝1/λQPM对称，即可以根据关系式1/λP1＝2/λQPM-1/λS1和1/λP2＝2/λQPM-1/λS2分别确定所需第一抽运光P1和第二抽运光P2的波长。

[0040] (3)使用光放大器(如EDFA)和滤波器(如BPF)分别对第一抽运光P1和第二抽运光P2进行光学放大和滤波，使用偏振控制器调节第一抽运光P1、第二抽运光P2、第一信号光S1和第二信号光S2的偏振态以保持一致。将第一抽运光P1、第二抽运光P2、第一信号光S1和第二信号光S2一起耦合进入具有二阶非线性的光学器件OD中。

[0041] (4)调节第一抽运光P1和第二抽运光P2的光功率以满足全光信息交换条件。在具有二阶非线性的光学器件OD中，基于二阶非线性效应参量衰减和波长转换相结合的作用机理，第一信号光S1原始携带的信息由于参量衰减会被消耗并通过波长转换将其信息复制给第二信号光S2，第二信号光S2原始携带的信息由于参量衰减也会被消耗并通过波长转换将其信息复制给第一信号光S1。于是，仅利用单个光学器件即可以实现第一信号光S1和第二信号光S2间的全光信息交换。为了给出满足全光信息交换条件的两抽运光P1、P2的光功率，我们对两抽运光P1、P2和两信号光S1、S2参与的二阶非线性效应进行理论分析，考虑两抽运光P1、P2输入光功率相同，忽略光学器件损耗，且在非耗尽近条件下，可以得到描述输出和输入第一信号光S1和第二信号光S2之间光场复振幅满足的关系式，如下所示：

[0042]

[0043]

[0044] 其中， AS1(0)、AS2(0)、AP1(0)和AP2(0)是输入第一信号光S1、输入第二信号光S2、输入第一抽运光P1和输入第二抽运光P2的光场复振幅。AS1(L)和AS2(L)是光学器件输出端第一信号光S1和第二信号光S2的光场复振幅。PP1(0)和PP2(0)是输入第一抽运光P1和输入第二抽运光P2的光功率。κ1是第一信号光S1和第一抽运光P1参与的二阶非线性效应的耦合系数，κ2是第二信号光S2和第二抽运光P2参与的二阶非线性效应的耦合系数。ωS1、ωS2和ωSF＝ωS1+ωP1＝ωS2+ωP2＝
2ωQPM是第一信号光S1、第二信号光S2以及和频光的角频率。L是具有二阶非线性的光学器件OD的长度。进一步可以得到全光信息交换条件，如下所示，

[0045] ML＝(2N+1)π，N＝0，1，2，3…… (2)

[0046] 其中，N为非负整数。此时，输出第一信号光S1和输出第二信号光S2的光场复振幅满足如下关系，

[0047] AS1(L)∝-AS2(0) (3a)

[0048] AS2(L)∝-AS1(0) (3b)

[0049] 很显然，输出第一信号光S1和第二信号光S2的光场复振幅分别正比于输入第二信号光S2和第一信号光S1的光场复振幅，即实现了第一信号光S1和第二信号光S2间的全光信息交换。特别地，由于光场复振幅同时包含幅度和相位信息，因此本发明所述基于二阶非线性的全光信息交换对调制格式透明，即不仅可以适用于传统OOK，还可以适用于DPSK、DQPSK、QAM和OFDM等调制格式。依据全光信息交换条件ML＝(2N+1)π，N＝0，1，2，3……，可以给出输入第一抽运光P1和输入第二抽运光P2的光功率，如下所示：

[0050]

[0051] 其中，N取非负整数对应给出满足全光信息交换条件时两抽运光P1、P2可取的光功率值，通常取N＝0对应所需两抽运光P1、P2最小的光功率取值。调节输入第一抽运光P1和输入第二抽运光P2的光功率满足上式，即可以实现第一信号光S1和第二信号光S2之间调制格式透明的全光信息交换。

[0052] (5)在具有二阶非线性的光学器件OD的输出端，可以使用带通滤波器(如BPF等)进行光学滤波得到经过了全光信息交换后的两个信号光S1、S2，或者也可以使用带阻滤波器(如FBG等)实现对两抽运光P1、P2的滤除，从而得到经过了全光信息交换后的两个信号光S1、S2。

[0053] 基于上述步骤所述的基于二阶非线性的全光信息交换方法，图2示意了携带OOK调制格式第一信号光S1和第二信号光S2间的全光信息交换，可见经过单个二阶非线性光学器件OD参量衰减和波长转换相结合的作用后，在光学器件输出端，第一信号光S1和第二信号光S2携带的OOK调制格式的信息实现了相互交换。

[0054] 基于本发明所述的基于二阶非线性的全光信息交换方法，图3给出了40-Gbit/s OOK信号光的全光信息交换实例，图4给出了40-Gbit/s DPSK信号光的全光信息交换实例，图5给出了80-Gbit/s DQPSK信号光的全光信息交换实例，可见本发明所述的全光信息交换方法可以应用于实现高速且调制格式透明的全光信息交换。

[0055] 进一步的，本发明所述的全光信息交换方法可以在宽带范围内对信号光实现交换性能相同的全光信息交换，如图6示意，以准相位匹配波长作为短波段和长波段分界，即可以实现短波段两信号光间的全光信息交换(图6(a))，也可以实现长波段两信号光间的全光信息交换(图6(b))，还可以实现短波段一个信号光和长波段一个信号光间的全光信息交换(图6(c))。对于位于不同波长的信号光，只需相应选择两抽运光的波长并根据全光信息交换条件选择合适的两抽运光的光功率，则可以实现全光信息交换功能。

[0056] 本发明并不仅仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计思路，做一些简单的变化或更改的设计(比如：选择具有二阶非线性的其它多种光学器件；不使用准相位匹配而是使用相位匹配的二阶非线性和光学器件；第一信号光S1和第一抽运光P1、第二信号光S2和第二抽运光P2不是严格而是近似关于准相位匹配波长对称等)，都落入本发明保护的范围。