具有温度普适性的平坦宽带波长转换技术研究

The broadband all-optical wavelength conversion and wavelength switching/routing, which enable optical nodes to operate optical wavelength directly, are two key technologies for the next generation optical networks. Aperiodic quasi-phase matched (QPM) structures is therefore investigated and utilized in this subject to realize flattop broadband wavelength conversion, which is insensitive to the change of temperature. Firstly, matrix model, which is suitable for cascaded second-order nonlinear effects, is established, and optimization algorithm is improved to optimal design the QPM structures, in which enhanced signal bandwidth as well as broadened pump bandwidth can be achieved. Secondly, an unadjustable wavelength conversion scheme is presented to increase both the conversion bandwidth and the pump detuning bandwidth and enhance the flatness of response with high conversion efficiency. A tunable wavelength conversion scheme is also proposed to obtain widened conversion bandwidth and enhanced converted wave tunable range simultaneously. Finally, the proposed tunable wavelength conversion in aperiodic quasi-phase matched crystals is applied to realize wavelength routing. These investigations are helpful for the development of optical node equipment which is insensitive to the change of temperature and needs to have the functions of broadband wavelength conversion and dynamic wavelength routing.

未来光网络需要光节点具备能够对光波长直接进行操作的宽带全光波长转换技术和光交换/路由技术。针对此目标，本课题对具有温度普适性的、基于非均匀周期准相位匹配结构的平坦宽带波长转换技术进行研究。通过深入分析级联二阶非线性效应下基于非均匀周期准相位匹配晶体的波长转换机理，建立适用于级联二阶非线性效应的快速矩阵计算模型，结合改进的优化算法对晶体结构进行优化设计，以实现扩展转换带宽和泵浦带宽的功能。通过综合考虑多种因素，提出结构简单灵活、对不同温度普适、高效、平坦的超宽带不可调波长转换方案及兼具宽调谐范围的可调波长转换方案，并以此为基础，寻求基于非均匀周期准相位匹配晶体的宽带波长转换技术与光路由的融合方案。此研究适应了光通信器件的发展要求，能够为具有宽带波长分配能力和动态路由能力且具有温度稳定性的光节点设备的研制提供有力的支撑。

随着光网络技术的不断发展，未来的光网络需要在节点处能够直接在光域对信号进行处理，而不再需要进行光-电-光的转换，以避免电子瓶颈带来的限制。全光宽带波长转换技术能够适应未来光网络对光节点的技术要求，它不仅能够解决波长占用问题，也能够基于此实现光波长路由，提高光节点的处理能力，所以是未来光网络节点所必备的关键技术之一。因此，本项目利用准相位匹配技术，对具有温度稳定性的、基于非均匀周期准相位匹配结构的平坦宽带波长转换技术进行了研究。首先，在深入分析非均匀周期准相位匹配晶体中的级联二阶非线性效应基础之上，通过推导耦合波方程组，得到了适用于级联二阶非线性效应的快速矩阵计算模型。其次，针对非均匀周期准相位匹配晶体的结构设计复杂度问题，对已有的遗传算法进行了改进，利用改进后的遗传算法以及矩阵计算模型能够大大缩短晶体结构设计的仿真优化时间，从而对实际晶体的设计制造起到一定的推进作用。因为准相位匹配晶体对温度变化十分敏感，所以我们随后研究设计了具有温度稳定性的非均匀周期准相位匹配结构，利用这种结构设计并实现了平坦宽带波长转换方案。最后在上述基础上，对基于非均匀周期准相位匹配晶体的宽带波长转换技术与光路由的融合方案进行了研究，从而为具有宽带波长分配能力和动态路由能力的光节点设备的研制提供一定的技术支撑。另外，在本项目的支持下，课题组还对将光纤通信网中的信号（C波段）转换到中红外波段进行自由空间光通信的问题进行了有益的探索。