0引言光波长转换器能实现信息从一个波长的光载波到另一个波长的光载波的复制，是全光网和宽带DWDM系统中不可缺少的关键器件.差频全光波长转换器（DFGAOWC）是基于二阶非线性差频光学效应，通常采用准相位匹配（QPM，quasiphasematching）光波导作为非线性光学介质，它是一种较新颖的光波长转换技术［1，2］.差频全光波长转换器具有对信号速率和调制形式严格透明、多波长同时转换、转换过程噪声指数极低、转换波长范围对光纤工作波段透明等独特优点［2］，但较窄的泵浦带宽是制约其实用化的主要问题［3，4］.本文对DFGAOWC的泵浦带宽的改善方法进行了研究，提出在准相位匹配光栅波导中引入非周期性分布的π相移域来增加泵浦波长可变范围的方法.1级联二阶非线性全光波长转换的
基本原理利用频率为ωp的高功率激光源作为初始泵浦，将它和同波段的频率为ωs信号光同时注入到QPM波导中，传播过程中初始泵浦光发生高效率的倍频效应，产生足够强度频率为ωSHG的倍频光场，该光场又与信号光场发生差频效应，从而产生频率为ωDFG(ωDFG=2ωp-ωs)的新光场.此过程中同时包含倍频和差频两个过程，所以称之为级联二阶非线性效应，如图1所示.由于不同波长的多个信号光与泵浦光之间的差频效应相互独立，可同时进行，所以DFGAOWC具备多波长同时转换能力.图1DFGAOWC的示意图
Fig.1The schematic diagram of DFGAOWC当泵浦光通过周期性极化反转结构时，倍频光波与泵浦光波的相位失配描述为：ΔβSHG=βSHG-2βp-2πn/ΛSHG，倍频光波ωSHG、信号光波ωs与转换光波ωDFG的差频相位失配为：ΔβDFG=βSHG-βDFG-2πm/ΛDFG.其中βSHG为倍频光波的传播系数，βP为泵浦光波的传播系数，m为相位匹配阶数.βs为信号光波的传播常数，βDFG为转换光波的传播常数，ΛDFG为极化反转周期，级联二阶非线性效应中有ΛSHG=ΛDFG.当泵浦光波与倍频光波在畴反转结构中满足相位匹配时，与此同时倍频光波与信号光波的差频也能满足相位匹配条件，则可获得差频后的转换光波λDFG的输出，实现全光波长的转换.2波长转换效率当泵浦光和信号光从同一端进入PPLN光波导，转换光从另一端输出.此时若λp≈λs≈λDFG并且有λSHG=12λp时，耦合系数：κ=κp≈κs≈κDFG并且κSHG=2κp.则一阶准相位匹配条件下的耦合波方程组为［4］：Epz=-iκESHGE*pexp(iΔβSHGz)-αpEpESHGz=-iκE2pexp(iΔβSHGz)-
i2κEDFGESexp(iΔβDFGz)-αSHGEpEsz=iκESHGE*DFGexp(-iΔβDFGz)-αsEs
EDFGz=-iκESHGE*sexp(-iΔβDFGz)-αDFGEDFG在倍频过程中，当相位完全匹配时，即ΔβSHG=0，并且无耗损即αp=αSHG=αs=αDFG=0.仅考虑倍频光与信号光波相互作用时，由于它们的相位并不影响器件的总体特性，因此可以将其忽略.当相互作用长度L较短时，泵浦光波所转换的功率PSHG较小，可以忽略由泵浦光转换为倍频光波的损失，并且忽略传播耗损，可得输出转换光波效率ηSHG∶DFG为：
ηSHG∶DFG(dB)≈10 log14η2norL4P2p式中：ηnor=8π2d2effnpnsnDFGcε0λsλDFGAeff（在ηnorL2Pp<1时取近似）第1期于文兵，等：级联二阶非线性全光波长转换技术
武汉工程大学学报第30卷
3改善泵浦带宽与调谐能力的研究波长转换效率是光波长转换器的重要性能指标，用数值模拟的方法对转换效率进行分析.输入信号光和泵浦光功率分别固定为0 dBm和20 dBm，波长分别固定为1 545.0 nm和775.0 nm.当泵浦光波长改变时，波矢失配量Δβ=βSHG-βs-βi也随之发生改变，使Δβ-2π/Λ≠0，转换效率会发生变化.PPLN波导长度取为50 mm，泵浦光输入功率为20 dBm，信号光波长固定为1 545.0 nm.图2示出了波长转换效率与泵浦光波长的关系曲线，可见转换效率对泵浦光波长的变化非常敏感，当泵浦波长偏离波导的准相位匹配波长（775.0 nm）时，转换效率迅速下降，曲线半宽度只有不到0.2 nm.泵浦光的可调谐能力很弱，这也是DFGAOWC的主要问题.当泵浦光波长固定为775.0 nm，PPLN波导长度同样为50 mm时，转换效率与输入信号光波长间的关系曲线如图3所示.由图3可见信号光波长在很大范围内（1 530~1 570 nm）改变时，转换效率的变化很小，并且曲线半宽度超过60 nm.这说明DFGAOWC有很好的信号光波长可调谐能力.图2转换效率对泵浦光波长的变化曲线
Fig.2Relationship between converter efficiency and pumpwavelength图3转换效率随信号光波长的变化曲线
Fig.3Relationship between converter efficiency and signalwavelength要解决泵浦光可调谐能力弱的问题，必须采用某种机制来补偿波长改变导致的Δβ′的改变.本文提出在QPM光栅中引入m个π相移域并使其按非周期性样式分布，对波长改变导致的相位失配进行均衡，使泵浦波长调谐曲线的形态发生改变，从而增加有效泵浦带宽.普通QPM光栅结构采用周期域反转样式，正域和反域依次相邻（如图4以箭头的方向表示）.在原本应相邻的正域和反域之间插入一个重复的正或负反域（图5中以反域表示），从而在光栅的该部位引入一个π的位相跳变.π相移域的长度为0.5 Λ（一般情况下光栅的折射率是一致的）.如果合理设计这些π相移域在光栅中的分布样式，就能够使泵浦波长调谐曲线形态发生我们所希望的改变，使泵浦带宽与调谐能力得到改善.

图4QPM光栅示意图
Fig.4The schematic diagram of QPM grating

图5引入了π相移域的QPM光栅示意图
Fig.5The schematic diagram of the π relative phase shift of QPM grating
4数学模拟结果选取采用质子交换淬火法制备的z切PPLN光波导，波导宽度为8 μm，深度为0.6 nm，0.77 μm波段的泵浦光和1.545 μm波段的信号光与转换光（差频光）在此波导中都以TM基模传播.波导的反转周期Λ=15.310 μm，对应的匹配波长为λpump=775.0 mm，λsignal=1 545 nm，π相移域的数量和分布参数见图6：曲线 (1)：m=0, L1=L；曲线(4)： m=3, L1=0.051L, L2=0.149L, L3=0.685L, L4=0.115L； 曲线(5)： m=4, L1= L5=0.051L, L2= L4=0.149L, L3=0.600L.当没有π相移域被引入时（m＝0），长度为L＝50 mm的波导，3 dB带宽约为0.52 nm；当引入4个π相移域并以恰当的方式分布时，曲线的3 dB带宽增加到约2.0 nm，1 dB带宽增加到约1.7 nm，带宽和平坦性都大为提高，带宽提高4倍以上.在带宽得到提高的同时，转换效率却有所下降，可以证明对于确定长度的波导，不管如何修改QPM光栅，波长调谐曲线所围成的面积总是一定的，所以要增加带宽，就必须牺牲一定的转换效率，这种牺牲是可以通过其他手段来弥补的，如通过提高泵浦光的功率来提高转换效率.图6转换效率随泵浦波长的变化曲线
Fig.6Relationship between converter efficiency and pumpwavelength

5结语本文针对全光波长转换中泵浦带宽的改善方法进行了深入的研究.论证了在QPM光栅中引入一定数量的π相移域，并使其按非周期性分布，对波长变化导致的相位失配进行均衡，从而增加泵浦带宽与调谐能力的方案.研究表明该方案可使波长调谐曲线的宽度和平坦性都得到很大提高，泵浦带宽增加约4倍.如果同时对QPM光栅波导进行小范围的温度调节和控制，可以较简单地实现泵浦波长的宽带连续可调谐.本文分析结果对于解决DFGAOWC的泵浦带宽问题具有较大的意义.