基于光子晶體光纖Sagnac環的超寬帶全光波長轉換開關

摘要：文章提出了一種基于10m長的光子晶體光纖(PCF)Sagnac環結構的超寬帶全光波長轉換方案。所使用的PCF光纖具有非線性系數高、超寬帶范圍內的色散平坦等特性，可實現基于四波混頻和交叉相位調制效應的全光波長轉換開關。通過調節連續光信號或37 MHz飛秒激光器產生的泵浦光的光波長，實驗驗證了該結構在C+L波段范圍內的超寬帶可調諧特性。同時還測量了該結構的時域響應，驗證了波長轉換開關特性。
關鍵詞：波長轉換；光開關；光子晶體光纖；四波混頻

0 引言
隨著光信號處理和全光信息系統的飛速發展，人們迫切需要新型全光邏輯器件，它是當前全光信號處理領域的研究熱點之一。全光波長轉換開關作為一項重要的技術，可以用來增強光網絡的重構性、無阻塞能力和波長復用等性能。與基于光電混合的波長轉換器相比，全光信號波長轉換技術具有抗電磁輻射及處理速度快這兩大獨特優點，可應用于近地面爆炸輻射、空間輻射等檢測。
迄今為止，已經有很多種實現全光波長轉換開關的方法被驗證。主要方法有交叉增益調制(XGM)，交叉相位調制(XPM)，四波混頻(FWM)。交叉增益調制一般是由半導體光放大器(SOA)來實現的。但是由于SOA的載流子恢復時間較長，大大限制了波長轉換開關的速度。XPM和FWM是兩種響應時間在亞皮秒(或飛秒)量級的三階非線性效應。光纖由于其極小的纖芯和極長的相互作用長度，是一種很好的實現XPM和FWM的非線性材料。一般來說，波長轉換的效率取決于泵浦光的功率、光纖長度、非線性系數以及色散。為了獲得較高的轉換效率，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，這將降低脈沖的質量且限制可用的帶寬。
2005年，K．K．Chow等人使用64m長的PCF光纖實現了波長轉換，波長轉換范圍可以達到40nm(1535～1575nm)。2012年，John P．Mack等人使用20 m長的非線性雙折射PCF光纖實現了四通道全光波長轉換。本文提出了一種基于10m長的PCF光纖組成的非線性光纖Sagnac環的全光波長轉換開關。使用這種結構，我們實現了在同一個非線性光纖環鏡中基于XPM和FWM的波長轉換，并且產生的閑頻光可以覆蓋整個C+L波段。本文采用的實驗裝置簡單且易于實現，僅采用10m長的PCF光纖就實現了更大的波長調節范圍，可以覆蓋整個C+L波段。

1 實驗系統裝置圖
實驗系統裝置如圖1所示。系統由一個分光比為1：1的耦合器(OC2)和一個分光比為1：9的耦合器(OC1)組成Sagnac環非線性光纖環鏡，并且在Sagnac環中接入一段10m長的PCF光纖。信號光由可調激光器產生，經過摻餌光纖放大器(EDFA)放大后，分別經過隔離器(ISO)、偏振控制器(PC)、可調衰減器(VOA)后，由1：1耦合器(OC2)的一個端口接入Sagnac環中。飛秒激光器產生的泵浦光經過帶寬為△λ=1．9nm，中心波長可調λ=1550nm的帶通濾波器(BPF)后，經過EDFA放大，再經過ISO、PC和VOA后，輸入到1：9耦合器(OC1)的分光比為9的端口。實驗中使用的飛秒激光器重復頻率為37 MHz，平均輸出功率大于40mW。PCF光纖在1550nm處的非線性系數γ=～ll(Wkm)-1。信號光和泵浦光同時注入Sagnac非線性光纖環鏡后，其輸入光功率足夠大，并且PCF光纖具有很高的非線性系數，從而在環中產生了FWM現象。