基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法及系统

本发明涉及光通信，具体的是基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法及系统。

背景技术：

1、中红外波段由于具有良好的大气传输特性，在空间光通信领域具有较高的应用价值。相较于其他波段，中红外波段在特定大气窗口内具有较低的吸收损耗与散射损耗，且对大气湍流引起的闪烁效应具有较强的抗扰能力，因此有利于提升空间光通信链路的传输稳定性与可靠性，为构建远距离、高质量空间光通信系统提供了良好的物理基础。然而，构建中红外空间光通信系统通常依赖于工作在该波段的激光器、调制器、探测器等关键光电器件。虽然近年来相关器件取得了一定进展，但整体上仍存在器件成熟度不足、系统集成难度较大、工程应用成本较高等问题，进而限制了中红外空间光通信系统的进一步发展和实际应用。鉴于此，亟需寻求一种能够绕开中红外直接器件发展瓶颈的技术路径。基于准相位匹配技术的非线性频率转换方法，为中红外波段光信号的生成提供了新的实现方式。该方法可充分利用近红外波段器件体系较为成熟、调制与探测技术较为完善的优势，通过非线性波长变换将近红外信号转换至中红外波段，从而间接实现中红外空间光信号的产生。该技术路径有望降低系统实现难度，提高系统的工程可实现性，因此具有重要的研究意义和应用前景。

2、现有的非线性频率转换方案中，差频产生（difference frequency generation，dfg）技术由于能够较好地保持原始信号的调制信息和相位特性，已成为实现近红外至中红外波段转换的重要技术手段之一。尤其是在空间光通信场景下，基于差频产生的波长转换方案能够借助近红外波段成熟的信号产生、调制和处理链路，实现中红外发射信号的构建；但是，现有方法无法对转换后的中红外信号进行有效功率补偿，从而导致中红外空间光通信系统的传输能力和通信质量较低。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法及系统，解决了现有技术无法对转换后的中红外信号进行有效功率补偿的问题。

2、第一方面，本发明的目的可以通过以下技术方案实现：基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法，方法包括以下步骤：

3、获取第一泵浦光和信号光，将第一泵浦光和信号光输入至第一非线性晶体内进行波长转换，得到中红外闲频光；

4、获取第二泵浦光，将中红外闲频光和第二泵浦光输入至第二非线性晶体内进行光参量放大和功率补偿，得到放大补偿后的中红外信号。

5、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该方法还包括：所述第一非线性晶体根据目标转换波段、泵浦光波长、相位匹配条件及系统集成需求进行选择。

6、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该方法还包括：所述将第一泵浦光和信号光输入至第一非线性晶体的处理过程，包括以下步骤：

7、对第一泵浦光和信号光通过两级放大、合束及准直处理后，输入ppln晶体，在准相位匹配条件下完成差频产生过程，实现将c波段的信号光至中红外波段的波长转换，最终输出中红外闲频光。

8、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该方法还包括：所述对第一泵浦光和信号光通过两级放大、合束及准直的过程，包括以下步骤：

9、将第一泵浦光和信号光经过保偏掺铒光纤放大器进行第一级放大，将第一级放大后的第一泵浦光和信号光输入由两个激光二极管泵浦的保偏掺镱光纤放大器内进行第二级放大，得到两级放大后的第一泵浦光和信号光，

10、将两级放大后的第一泵浦光和信号光输入波分复用器内进行合束，得到合束后的光束，

11、将合束后的光束经光纤准直器进行准直，最终输出准直后的光束。

12、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该方法还包括：所述第二非线性晶体根据中红外种子光波长、第二泵浦光波长、光参量放大增益、热稳定性及功率承载能力进行选择。

13、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该方法还包括：所述将中红外闲频光和第二泵浦光输入至第二非线性晶体的处理过程，包括以下步骤：

14、对中红外闲频光和第二泵浦光通过两级放大、合束及准直处理后，输入zgp晶体，在满足相位匹配条件的情况下，第二泵浦光的能量向中红外闲频光转移，输出放大补偿后的中红外信号，实现对于中红外闲频光的光参量放大和功率补偿。

15、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该方法还包括：所述放大补偿后的中红外信号通过透镜组进行扩束、准直及波前整形，以优化其自由空间传输特性，最终耦合至自由空间发射天线，实现补偿后的高功率中红外信号的发射。

16、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，该方法还包括：所述放大补偿后的中红外信号通过与第三泵浦光共同注入第二非线性晶体，通过逆参量放大过程对接收到的放大补偿后的中红外信号进行能量恢复，得到恢复后的信号，

17、将恢复后的信号与第四泵浦光共同注入所述第一非线性晶体，以通过逆差频产生过程将恢复后的信号进行波长转换，得到c波段恢复信号，

18、输出所述c波段恢复信号。

19、第二方面，为了达到上述目的，本发明公开了基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换系统，包括：

20、转换处理模块，用于获取第一泵浦光和信号光，将第一泵浦光和信号光输入至第一非线性晶体内进行波长转换，得到中红外闲频光；

21、补偿输出模块，用于获取第二泵浦光，将中红外闲频光和第二泵浦光输入至第二非线性晶体内进行光参量放大和功率补偿，得到放大补偿后的中红外信号。

22、本发明的有益效果：

23、本发明通过将差频产生与光参量放大有机级联，实现了波长转换与光功率放大的一体化协同处理，通过在发射端对转换后的中红外信号进行光参量放大和功率补偿，增强其对中长距离自由空间链路的适应能力，并且在后续采用逆转换形式，提高信号恢复质量和链路稳定性。

1.基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法，其特征在于，所述第一非线性晶体根据目标转换波段、泵浦光波长、相位匹配条件及系统集成需求进行选择。

3.根据权利要求1所述的基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法，其特征在于，所述将第一泵浦光和信号光输入至第一非线性晶体的处理过程，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法，其特征在于，所述对第一泵浦光和信号光通过两级放大、合束及准直的过程，包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法，其特征在于，所述第二非线性晶体根据中红外种子光波长、第二泵浦光波长、光参量放大增益、热稳定性及功率承载能力进行选择。

6.根据权利要求1所述的基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法，其特征在于，所述将中红外闲频光和第二泵浦光输入至第二非线性晶体的处理过程，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法，其特征在于，所述放大补偿后的中红外信号通过透镜组进行扩束、准直及波前整形，以优化其自由空间传输特性，最终耦合至自由空间发射天线，实现补偿后的高功率中红外信号的发射。

8.根据权利要求7所述的基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法，其特征在于，所述放大补偿后的中红外信号通过与第三泵浦光共同注入第二非线性晶体，通过逆参量放大过程对接收到的放大补偿后的中红外信号进行能量恢复，得到恢复后的信号，

9.基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换系统，采用了权利要求1至8中任一项所述的基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法，其特征在于，包括：

10.一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器加载并执行计算机程序时，采用了权利要求1至8中任一项所述的基于双晶体级联差频与光参量放大的波长转换方法。