專利名稱：波長轉(zhuǎn)換器及波長轉(zhuǎn)換設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波長轉(zhuǎn)換器以及波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，特別涉及這樣一種波長轉(zhuǎn)換器和泵浦波長可變型的波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，它們能夠被設(shè)計用于處理給定數(shù)目的泵浦波長(pump wavelength)，能夠避免轉(zhuǎn)換效率的降低，并且能夠利用實用尺寸的非線性光學(xué)材料而被簡單地構(gòu)成。
背景技術(shù)：
通常，已知的波長轉(zhuǎn)換器以及使用波長轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換設(shè)備利用了各種各樣的二次非線性光學(xué)效應(yīng)。例如，二次諧波發(fā)生設(shè)備可將入射光轉(zhuǎn)換為具有一半初始波長值(即兩倍頻率)的光(二次諧波)。和頻率產(chǎn)生設(shè)備可以將具有不同波長值的兩束光轉(zhuǎn)換成頻率為所述兩束光的頻率之和的一束光。
另一方面，差頻發(fā)生設(shè)備可以將具有不同波長值的兩束光轉(zhuǎn)換成頻率為所述兩束光的頻率之差的一束光。此外，當(dāng)入射光束中的一束與另一束相比足夠大時，則差頻發(fā)生設(shè)備可被配置成光放大器以利用參量效應(yīng)放大入射光的強度。通過對利用參量效應(yīng)的參量諧振器進行配置，差頻發(fā)生設(shè)備還可被用作波長可調(diào)諧的光源。
接下來將以利用二次非線性光學(xué)效應(yīng)的差頻發(fā)生器為例對傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的工作原理進行簡要說明。這些轉(zhuǎn)換器通過將波長為λ1的信號光入射到受到波長為λ3的泵浦光的泵浦作用的非線性光學(xué)介質(zhì)中，從而將波長為λ1的信號光轉(zhuǎn)換為波長為λ2的閑頻光(idler light)。這三種波長的關(guān)系(包括λ1＝λ2的情況)可由下述公式表示。1λ3=1λ1+1λ2---(1)]]>人們已經(jīng)研究開發(fā)出多種可作為非線性介質(zhì)的材料用以實現(xiàn)這類器件(element)。就器件結(jié)構(gòu)而言，所謂“準相位匹配型結(jié)構(gòu)”被認為是有前途的，例如，M.H.Chou等人的論文(Optics Letters，Vol.23，p.1004(1998))中就披露過該結(jié)構(gòu)。該論文中所述的結(jié)構(gòu)能夠使諸如LiNbO3的二次非線性光學(xué)材料以均勻的周期長度而周期性地改變(調(diào)制)其非線性光學(xué)系數(shù)。


圖1A和1B的示意圖用于說明應(yīng)用二次非線性光學(xué)效應(yīng)的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器(差頻發(fā)生器)；圖1A概念性地示出了波長轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。圖1B示出了轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的關(guān)系?？梢圆捎孟率龇椒ㄔ诙畏蔷€性光學(xué)材料中建立準相位匹配型結(jié)構(gòu)第一，通過在空間上交替地反轉(zhuǎn)材料的非線性光學(xué)系數(shù)的正負號而實現(xiàn)周期性調(diào)制的方法；第二，通過交替設(shè)置具有大的非線性光學(xué)系數(shù)的片段(segment)和小的非線性光學(xué)系數(shù)的片段而實現(xiàn)周期性調(diào)制的方法。
對于諸如LiNbO3的鐵電晶體而言，非線性光學(xué)系數(shù)(常量d)的正負號對應(yīng)于自發(fā)極化的極性。因此，在圖1A所示的波長轉(zhuǎn)換器中，通過利用質(zhì)子交換方法并以調(diào)制周期(非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制周期)Λ0＝14.75μm對LiNbO3的自發(fā)極化進行周期性的反轉(zhuǎn)，并由此調(diào)制非線性光學(xué)系數(shù)，就可以在非線性光學(xué)介質(zhì)(LiNbO3襯底11)中形成光波導(dǎo)12。信號光13和泵浦光15通過多路復(fù)用器17被提供給波長轉(zhuǎn)換器。波長轉(zhuǎn)換器可以在0.78μm頻帶的泵浦光15的作用下實現(xiàn)對1.55μm頻帶的信號光13的波長轉(zhuǎn)換。
在這樣的波長轉(zhuǎn)換器中，相位失配量Δβ由下式給出。Δβ=2π·(n3λ3-n2λ2-n1λ1)---(2)]]>其中n1是LiNbO3針對波長為λ1的信號光13的折射率；n2是針對波長為λ2的閑頻光(差頻光)14的折射率；n3是針對波長為λ3的泵浦光15的折射率；而Λ0則是非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制周期。轉(zhuǎn)換效率η通過利用相位失配量Δβ而由下式給出。η=ηmax·{sin[(Δβ-2πΛ0)·L2][(Δβ-2πΛ0)·L2]}2---(3)]]>其中L是非線性光學(xué)介質(zhì)在波導(dǎo)方向上的長度。因此，當(dāng)相位失配量Δβ為2π/Λ0時，波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率η取最大值。例如，假定信號光13的波長λ1固定不變。在這種假設(shè)情況下，符合“準相位匹配條件”(其中由前述公式(2)得到的相位失配量Δβ變?yōu)?π/Λ0)的泵浦光15的波長將取決于非線性光學(xué)介質(zhì)折射率的色散，并且如果調(diào)制周期Λ0被給定就可以唯一確定該波長。
依據(jù)前述公式(2)和(3)可知，改變泵浦光15的波長使其移開滿足“準相位匹配條件”的準相位匹配波長值，將使轉(zhuǎn)換效率η減小。圖1B用于說明轉(zhuǎn)換效率η與相位失配量Δβ之間的依存關(guān)系，其中轉(zhuǎn)換效率η是依照將最大值設(shè)定為1的方式而進行了歸一化處理的。假定由LiNbO3構(gòu)成的波長轉(zhuǎn)換器的光波導(dǎo)12的長度為42mm。則，其中轉(zhuǎn)換效率η變?yōu)槠渥畲笾档囊话氲南辔皇淞喀う碌念l帶非常窄，在泵浦光波長的頻帶為0.78μm的情況下所述相位失配量Δβ的頻帶約為0.1nm。
從前述公式(1)可以清楚地知道，要將信號光13的波長λ1轉(zhuǎn)換為具有給定波長值(λ2′)的差頻光，就需要多個具有不同波長值的泵浦光光束。但是，在如圖1A所示的傳統(tǒng)調(diào)制結(jié)構(gòu)中，非線性光學(xué)系數(shù)以均勻的周期作周期性地變化，由于泵浦光波長的可容許范圍比較窄，所以傳統(tǒng)的調(diào)制結(jié)構(gòu)基本上不能改變泵浦光的波長值。作為結(jié)果，它不能實現(xiàn)具有給定波長值的差頻光。
接下來，為了應(yīng)對多個不同的泵浦光波長，還可以采用這樣一種方法。在這種方法中，具有多個不同調(diào)制周期的多個調(diào)制結(jié)構(gòu)被沿縱向順序放置。但是，當(dāng)非線性光學(xué)介質(zhì)的總長度固定時，各調(diào)制周期中使用的非線性光學(xué)介質(zhì)的長度將減短。通常，應(yīng)用二次非線性光學(xué)效應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率η正比于非線性光學(xué)介質(zhì)長度的平方值。因此，與使用具有相同長度的非線性光學(xué)介質(zhì)的情況相比，設(shè)置四種類型的調(diào)制周期將使轉(zhuǎn)換效率η減小到6.25％。
為了構(gòu)成能夠處理多個泵浦光波長的波長轉(zhuǎn)換器，M.H.Chou等人(Optics Letters，Vol.24，p.1157(1999))提出了一種為周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)配備相位反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的方法。
圖2A和2B示出了一種能夠通過為周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)配備相位反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以處理多個泵浦光波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器。圖2A的俯視圖示意性地說明了波長轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。圖2B則是圖2A的局部放大圖。此外，圖3A-3F示出了波長轉(zhuǎn)換器中相位反轉(zhuǎn)的特性以及轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的關(guān)系曲線。
與圖1A中所示的波長轉(zhuǎn)換器一樣，波長轉(zhuǎn)換器通過質(zhì)子交換方法在用做非線性光學(xué)介質(zhì)的LiNbO3襯底21中形成光波導(dǎo)22，并且通過以基本調(diào)制周期Λ0＝14.75μm對LiNbO3的自發(fā)極化進行周期性地反轉(zhuǎn)，由此調(diào)制非線性光學(xué)系數(shù)。更具體地說，波長轉(zhuǎn)換器通過以一個較長的均勻周期Λph將具有固定的基本周期Λ0(基本調(diào)制周期14.75μm)的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的相位反轉(zhuǎn)180度，從而形成一個相位反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，并由此使轉(zhuǎn)換效率η能夠在多個相位失配量Δβ處具有峰值。順便提及，通過用具有0.78μm頻帶中的波長λ3的泵浦光25經(jīng)由多路復(fù)用器27入射，波長轉(zhuǎn)換器也能實現(xiàn)將經(jīng)由同一多路復(fù)用器27入射的具有1.55μm頻帶中的波長λ1的信號光23的波長轉(zhuǎn)換成波長為λ2的差頻光24。
圖3A示出了具有極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)介質(zhì)的縱向方向中的相位變化，所述極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)具有相位反轉(zhuǎn)周期Λph為14mm的相位反轉(zhuǎn)以及50％的占空因數(shù)。圖3B示出了轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的關(guān)系曲線，該關(guān)系曲線相對于使用與圖1A所示的長度相同但不具有相位反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)介質(zhì)的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率而得到歸一化數(shù)據(jù)處理。在該波長轉(zhuǎn)換器中，其中形成極化反轉(zhuǎn)的光波導(dǎo)的長度為42mm。
如圖3B所示，轉(zhuǎn)換效率在相位失配量Δβ為{(2π/Λ0)-(2π/Λph)}和{(2π/Λ0)+(2π/Λph)}時變得最大，這表明這兩個泵浦波長可被用于波長轉(zhuǎn)換。
此外，如圖3C和3D所示，設(shè)若周期Λph為7mm且設(shè)定相位反轉(zhuǎn)的占空因數(shù)為26.5％，則當(dāng)相位失配量Δβ等于{(2π/Λ0)-(2π/Λph)}、(2π/Λ0)和{(2π/Λ0)+(2π/Λph)}時轉(zhuǎn)換效率最大，由此使得波長轉(zhuǎn)換能夠使用這三個泵浦波長。
再有，如圖3E和3F所示，將周期為Λph和2Λph的兩個相位反轉(zhuǎn)迭加，則當(dāng)相位失配量Δβ等于{(2π/Λ0)-(6π/Λph)}、{(2π/Λ0)-(2π/Λph)}、{(2π/Λ0)+(2π/Λph)}以及{(2π/Λ0)+(6π/Λph)}時轉(zhuǎn)換效率最大。因此，每隔4π/Λph間隔可以得到四個峰值，由此使得波長轉(zhuǎn)換能夠使用這四個泵浦波長。
但是，具有前述結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器存在下述問題。
第一，如圖3F所示具有四個峰值的結(jié)構(gòu)的歸一化轉(zhuǎn)換效率除了所需要的波長之外還產(chǎn)生許多假的副峰。結(jié)果導(dǎo)致波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率減小到17％。
第二，為了在很窄的泵浦波長間隔上得到轉(zhuǎn)換效率的峰值就不可避免地需要長的相位反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。因此它帶來了如下問題，即，在廣泛使用的3-4英寸的襯底上放置相位反轉(zhuǎn)周期受到了限制。
在泵浦波長處于0.78μm頻帶的情況下，圖3A、3C和3E中的相位匹配曲線的峰間間隔都是0.8nm，這意味著泵浦波長可在400GHz的間隔上變化。更具體地說，由公式(1)的關(guān)系式可知，改變泵浦光波長將致使閑頻光的波長改變，閑頻光的波長改變量相應(yīng)于泵浦光波長的改變量，這意味著閑頻光的波長可在400GHz的間隔上改變。
考慮到在波分復(fù)用器(WDM)通信中的應(yīng)用，它需要的是具有諸如200GHz和100GHz的較窄間隔的器件。例如，如圖3F所示具有四個峰值的結(jié)構(gòu)的歸一化轉(zhuǎn)換效率可以通過增大相位反轉(zhuǎn)周期而使峰間間隔變窄，這是因為對于相位反轉(zhuǎn)周期Λph而言，相位失配量Δβ每隔4π/Λph的間隔就具有一個轉(zhuǎn)換效率峰值?？紤]到LiNbO3光波導(dǎo)控制的是具有200GHz或100GHz的間隔的泵浦波長的情況，這四個泵浦波長所需要的相位反轉(zhuǎn)周期將變得非常長，例如為28mm和56mm。
第三，盡管在如上所述的文獻中披露了通過對相位反轉(zhuǎn)圖案進行疊加來處理數(shù)目為1至4個的泵浦光波長的方法，但是處理其它數(shù)目的泵浦光波長的方法還是未知的。因此，很難對所需數(shù)目的泵浦光波長進行靈活的處理。

發(fā)明內(nèi)容
作為對能夠高效、多波長泵浦的器件結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了一種器件結(jié)構(gòu)，該器件結(jié)構(gòu)能夠在不大量損失效率的情況下處理所需數(shù)目的泵浦波長，它是通過將一種其中連續(xù)的頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)或相位調(diào)制結(jié)構(gòu)被以均勻的周期重復(fù)的結(jié)構(gòu)引入到非線性光學(xué)系數(shù)的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)當(dāng)中并且通過對頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)或相位調(diào)制結(jié)構(gòu)的調(diào)制曲線進行優(yōu)化而得到實現(xiàn)的。該器件結(jié)構(gòu)可提供一種波長轉(zhuǎn)換器以及泵浦波長可變型波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，其能夠處理所需數(shù)目的泵浦光波長，并且能夠避免轉(zhuǎn)換效率的降低，而且能夠利用非線性光學(xué)材料的實用尺寸而被簡單地構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面所述，本發(fā)明提供了一種波長轉(zhuǎn)換器，其包括具有由頻率調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)介質(zhì)，所述由頻率調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)由調(diào)制單元結(jié)構(gòu)和頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)組成，所述調(diào)制單元結(jié)構(gòu)近乎連續(xù)地變化，它具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中非線性光學(xué)系數(shù)以近似等于基本周期Λ0的周期受到周期性的調(diào)制，所述頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中調(diào)制單元結(jié)構(gòu)被以長于所述基本周期Λ0的頻率調(diào)制周期Λf重復(fù)；以及用于將光發(fā)射到非線性光學(xué)介質(zhì)上的裝置，所述光具有三個波長值λ1、λ2、λ3之中的一個或兩個波長值，包括λ1＝λ2的情況在內(nèi)，所述三個波長值λ1、λ2、λ3滿足下述公式，1λ3=1λ1+1λ2---(4)]]>其中，所述波長轉(zhuǎn)換器利用在非線性光學(xué)介質(zhì)中發(fā)生的二次非線性光學(xué)效應(yīng)，將輸入光轉(zhuǎn)換成輸出光，所述輸出光的波長值等于所述三個波長值中的一個，并且與入射光的至少一個波長值不同。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面所述，本發(fā)明提供了一種波長轉(zhuǎn)換器，其包括具有由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)介質(zhì)，所述由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)由調(diào)制單元結(jié)構(gòu)和相位調(diào)制結(jié)構(gòu)組成，所述調(diào)制單元結(jié)構(gòu)近乎連續(xù)地變化，它具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中非線性光學(xué)系數(shù)以基本上等于基本周期Λ0的周期受到周期性的調(diào)制，所述相位調(diào)制結(jié)構(gòu)具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中調(diào)制單元結(jié)構(gòu)的相位變化被以長于所述基本周期Λ0的相位調(diào)制周期Λph重復(fù)；以及用于將光發(fā)射到非線性光學(xué)介質(zhì)上的裝置，所述光具有三個波長值λ1、λ2、λ3之中的一個或兩個波長值，包括λ1＝λ2的情況在內(nèi)，所述三個波長值λ1、λ2、λ3滿足上述公式(4)，其中，所述波長轉(zhuǎn)換器利用在非線性光學(xué)介質(zhì)中發(fā)生的二次非線性光學(xué)效應(yīng)，將輸入光轉(zhuǎn)換成輸出光，所述輸出光的波長值等于所述三個波長值中的一個，并且與入射光的至少一個波長值不同。
根據(jù)本發(fā)明的還有一個方面所述，本發(fā)明提供了一種波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，其包括泵浦源，它能夠改變其振蕩波長或者能夠在多個振蕩波長之間切換；以及根據(jù)本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器，其中所述波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠通過由外部提供的輸入信號光和由所述泵浦源提供的入射光而在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中生成差頻光；并且能夠通過選擇具有可使差頻光的生成效率達到最大的相位失配量的泵浦光的波長來轉(zhuǎn)換差頻光的波長值。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面所述，可利用這樣的方式來確定相位失配量Δβ，即，當(dāng)相位失配量Δβ為2π/Λ0±2πi/Λf(i＝0，1，…，n，其中n為正整數(shù))，2π/Λ0±2π(2i+1)/Λf(i＝0，1，…，n，其中n為正整數(shù))，或2π/Λ0+2πi/Λf(i＝m，m+1，…，n，其中m和n為正整數(shù)或負整數(shù)，且滿足|m|≠|(zhì)n|)時，轉(zhuǎn)換效率將達到最大值。這種方式使得提供這樣的波長轉(zhuǎn)換器以及波長轉(zhuǎn)換設(shè)備成為可能，它們可被設(shè)計成能夠處理所需數(shù)目的泵浦波長，能夠避免轉(zhuǎn)換效率的降低，并且能夠利用非線性光學(xué)材料的實用尺寸而被簡單地構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面所述，可利用這樣的方式確定相位失配量Δβ，即，當(dāng)相位失配量Δβ為2π/Λ0±2πi/Λph(i＝0，1，…，n，其中n為正整數(shù))，2π/Λ0±2π(2i+1)/Λph(i＝0，1，…，n，其中n為正整數(shù))，或2π/Λ0+2πi/Λph(i＝m，m+1，…，n，其中m和n為正整數(shù)或負整數(shù)，且滿足|m|≠|(zhì)n|)時，轉(zhuǎn)換效率將達到最大值。這種方式使得提供這樣的波長轉(zhuǎn)換器以及波長轉(zhuǎn)換設(shè)備成為可能，它們可被設(shè)計成能夠處理所需數(shù)目的泵浦波長，能夠避免轉(zhuǎn)換效率的降低，并且能夠利用非線性光學(xué)材料的實用尺寸而被簡單地構(gòu)成。
通過下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例所做的描述，本發(fā)明的上述與其它的目的、效果、特征以及優(yōu)點將變得更加清楚。
附圖的簡要說明圖1A的示意圖示出了應(yīng)用二次非線性光學(xué)效應(yīng)的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器(差頻發(fā)生器)的結(jié)構(gòu)；圖1B示出了在圖1A所示的波長轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的關(guān)系曲線；圖2A的俯視示意圖示出了通過為周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)提供相位反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)而能夠處理多個泵浦光波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)；圖2B是圖2A所示波長轉(zhuǎn)換器的局部放大圖；圖3A-3F示出了圖2A所示波長轉(zhuǎn)換器中的相位反轉(zhuǎn)特性以及轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的關(guān)系曲線；圖4A和4B的示意圖示出了本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器的第一種結(jié)構(gòu)；圖5A-5D示出了根據(jù)本發(fā)明所述能夠處理多種泵浦波長數(shù)目的波長轉(zhuǎn)換器的頻率變化曲線以及轉(zhuǎn)換效率與相位失配量變化之間的關(guān)系曲線；圖6A示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第一個實施例中使用的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)之中的周期變化曲線；圖6B示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第一實施例中，當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所獲得的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖6C示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第一實施例中，當(dāng)輸入信號光和泵浦光時的1.55μm頻帶信號以及閑頻光的頻譜；圖7A示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第二個實施例中使用的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)之中的周期變化曲線；圖7B示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第二實施例中，當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所獲得的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖7C示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第二實施例中，當(dāng)輸入信號光和泵浦光時的1.55μm頻帶信號、泵浦光以及閑頻光的頻譜；圖8A示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第三個實施例中使用的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)之中的周期變化曲線；圖8B示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第三實施例中，當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所獲得的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖8C示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第三實施例中，當(dāng)輸入信號光和泵浦光時的1.55μm頻帶閑頻光的頻譜；圖9A示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第四個實施例中使用的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)之中的周期變化曲線；圖9B示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第四實施例中，當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所獲得的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖10的框圖示出了包含有本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換設(shè)備的第一種結(jié)構(gòu)；圖11A和11B的示意圖示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第二種結(jié)構(gòu)；圖12A-12C示出了圖11A所示差頻發(fā)生器的非線性光學(xué)介質(zhì)的二次非線性光學(xué)系數(shù)的相位調(diào)制結(jié)構(gòu)的詳細情況；圖13A-13D示出了本發(fā)明所述能夠處理多種泵浦波長數(shù)目的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的曲線關(guān)系以及相位調(diào)制曲線的例子；圖14A-14C示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第六個實施例的各種特性；圖15A示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第七個實施例中的相位調(diào)制曲線；圖15B示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第七實施例中，當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所獲得的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖15C示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第七實施例中的1.55μm頻帶信號、泵浦光以及閑頻光的頻譜；圖16A示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第八個實施例中的相位調(diào)制曲線；
圖16B示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第八實施例中，當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所獲得的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖16C示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第八實施例中的1.55μm頻帶閑頻光的頻譜；圖17A示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第九個實施例中的相位調(diào)制曲線；圖17B示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第九實施例中，當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所獲得的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖18的框圖示出了包含有本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選實施例的詳細描述現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明的實施例進行描述說明。本說明書中使用的術(shù)語“波長轉(zhuǎn)換器(以及波長轉(zhuǎn)換設(shè)備)”不僅指得是波長轉(zhuǎn)換器(以及波長轉(zhuǎn)換設(shè)備)，而且在當(dāng)波長轉(zhuǎn)換器(以及波長轉(zhuǎn)換設(shè)備)具有光放大功能時，它還指得是指光放大器(以及光放大設(shè)備)。(波長轉(zhuǎn)換器的第一種結(jié)構(gòu))圖4A和4B的示意圖示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第一種結(jié)構(gòu)。以下將以差頻發(fā)生器為例進行說明，所述差頻發(fā)生器采用諸如LiNbO3的鐵電晶體用做非線性光學(xué)介質(zhì)，它能夠通過反轉(zhuǎn)極化方向從而使非線性光學(xué)系數(shù)的正負號反轉(zhuǎn)。
波長轉(zhuǎn)換器具有非線性光學(xué)介質(zhì)，所述非線性光學(xué)介質(zhì)中入射有波長值為滿足前述公式(1)的三個波長值(λ1、λ2與λ3，包含λ1＝λ2的情況)之中的λ3與λ1的光束。因此，波長轉(zhuǎn)換器通過在非線性光學(xué)介質(zhì)中發(fā)生的二次非線性光學(xué)效應(yīng)而轉(zhuǎn)換出波長值為λ2的輸出光。
如圖4A所示，波長轉(zhuǎn)換器在非線性光學(xué)材料襯底41中形成有光波導(dǎo)42。它通過周期性地反轉(zhuǎn)非線性光學(xué)介質(zhì)的自發(fā)極化方向從而對非線性光學(xué)系數(shù)進行調(diào)制，并且利用波長為λ3的泵浦光45將波長為λ1的信號光43轉(zhuǎn)換為波長值為λ2的閑頻光44。
在這種波長轉(zhuǎn)換器中，非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制周期在非線性光學(xué)介質(zhì)的縱向方向(光行進的方向)中受到近似于周期性的調(diào)制。這種波長轉(zhuǎn)換器具有一個“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”(見圖4B)，所述“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”在光波導(dǎo)42的方向中以接近于基本(反轉(zhuǎn))周期Λ0(即，基本周期Λ0以及近似等于基本周期Λ0的周期Λ0′、Λ0″等等)而近似連續(xù)地(逐漸地)變化。另外，非線性光學(xué)介質(zhì)具有一個“頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)”(見圖4A)，即，調(diào)制單元被以長于基本(反轉(zhuǎn))周期Λ0的“頻率調(diào)制周期Λf”重復(fù)，由此構(gòu)成“周期性調(diào)制的頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)”。通過將波長為λ1的信號光43和波長為λ3的泵浦光45經(jīng)由多路復(fù)用器47輸入到由具有“周期性調(diào)制的頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)”的非線性光學(xué)介質(zhì)構(gòu)成的光波導(dǎo)42中，就可以在由泵浦光45在非線性光學(xué)介質(zhì)中引起的二次非線性光學(xué)效應(yīng)的作用下，產(chǎn)生波長值為λ2的閑頻光44，閑頻光44的波長值λ2與信號光43的波長值λ3不同。
盡管圖4A所示的光波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)，其在非線性光學(xué)介質(zhì)中具有很強的光學(xué)限制效應(yīng)并且能夠獲取長距離的相互作用，用以獲取較高的波長轉(zhuǎn)換效率，但是它并不是必需的。例如，用于對高能量的激光波長進行轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器可以采用整體(bulk)型結(jié)構(gòu)。
接下來將對用于設(shè)定頻率變化曲線的方法進行說明。假設(shè)d(z)代表在光行進方向軸上的z處的非線性光學(xué)系數(shù)，且假設(shè)給出的光波導(dǎo)為從z＝0到z＝L。那么，通過下列關(guān)于相位失配量Δβ的公式可以給出在泵浦光與信號光傳播通過光波導(dǎo)(z＝L)之后的轉(zhuǎn)換效率η。η(Δβ)∝|∫OLd(z)exp(-iΔβz)dz|2---(5)]]>通過得到非線性光學(xué)系數(shù)的空間變量d(z)而后對d(z)進行傅立葉變換，就可以利用上述公式計算出轉(zhuǎn)換效率η關(guān)于相位失配量Δβ的變化。根據(jù)本發(fā)明所述，非線性光學(xué)系數(shù)每Λ0個周期都受到調(diào)制，并且周期性調(diào)制的“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”進一步以另一個周期Λf受到調(diào)制。結(jié)果，在相位失配量Δβ距中心值2π/Λ0每隔2π/Λf的位置上(Δβ＝2π/Λ0，2π/Λ0±2πi/Λf，2π/Λ0±4πi/Λf，…)將出現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率η的峰值。
為了使所需數(shù)目的泵浦光波長達到最大效率，必須使所需峰較大而其它峰較小。例如，為了處理三個泵浦波長，則必須使三個峰值在Δβ＝2π/Λ0與2π/Λ0±2πi/Λf處最大。為了在L個峰值處得到最大效率，可執(zhí)行下列步驟第一，通過改變各個調(diào)制單元結(jié)構(gòu)的頻率變化曲線，以計算出非線性光學(xué)系數(shù)的空間變量d(z)；第二，對d(z)執(zhí)行傅立葉變換，以得到所需峰處的轉(zhuǎn)換效率；第三，計算由下列公式給出的測試函數(shù)T；以及最后，通過對所述測試函數(shù)T進行連續(xù)計算以使其達到最小，從而實現(xiàn)優(yōu)化。T=Σj=0L[η(j)-ηnormL]2---(6)]]>其中η(j)是第j個峰值處的轉(zhuǎn)換效率，ηnorm則是具有同樣長度的非線性光學(xué)介質(zhì)但是未對非線性光學(xué)系數(shù)進行頻率變換的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。
通過對確定各種泵浦波長數(shù)目的非線性光學(xué)系數(shù)中的頻率變化所進行的研究，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明可以在不降低轉(zhuǎn)換效率的情況下對所需數(shù)目的泵浦波長進行處理。
圖5A-5D示出了根據(jù)本發(fā)明所述能夠處理多種泵浦波長數(shù)目的波長轉(zhuǎn)換器的頻率變化曲線以及轉(zhuǎn)換效率與相位失配量變化之間的關(guān)系曲線。在這些附圖中，轉(zhuǎn)換效率相對于具有相同長度的非線性介質(zhì)并且其非線性光學(xué)系數(shù)以均勻周期得到調(diào)制的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率而得到了歸一化處理。
例如，圖5A與5B分別示出了與三個泵浦光波長相對應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換器的頻率變化曲線以及轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的關(guān)系曲線。如圖5B所示，與如圖3D所示的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的特性相比，轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的關(guān)系曲線的偽副峰值(spurious secondary peak)被減小，從而實現(xiàn)了30％的高轉(zhuǎn)換效率。
通過利用前述方法適當(dāng)?shù)卮_定下列因子并進改變它們的形狀，根據(jù)本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器就可以方便地處理所需數(shù)目的泵浦波長。這些因子為“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”中非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制周期的基本周期Λ0；“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”的重復(fù)周期Λf；以及通過重復(fù)“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”所形成的“頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)”的頻率變化曲線。確定周期Λ0和Λf以及頻率變化曲線的方法可隨不同的目的而相應(yīng)地變化。但是，在任何方法中，頻率變化曲線的確定都是這樣的，即，當(dāng)相位失配量Δβ具有由周期Λ0和Λf所決定的特定值時，轉(zhuǎn)換效率具有局部最大值。
更具體地說，第一種方法確定如下，當(dāng)相位失配量Δβ等于2π/Λ0±2πi/Λf(i＝0，1，…，n，其中n為正整數(shù))時，轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)為局部最大值。第二種方法確定如下，當(dāng)相位失配量Δβ等于2π/Λ0±2π(2i+1)/Λf(i＝0，1，…，n，其中n為正整數(shù))時，轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)為局部最大值。第三方法確定如下，當(dāng)相位失配量Δβ等于2π/Λ0+2πi/Λf(i＝m，m+1，…，n，其中m和n為正整數(shù)或負整數(shù)，且滿足|m|≠|(zhì)n|)時，轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)為局部最大值。
例如，可以通過確定如圖5C所示的頻率變化曲線，以構(gòu)成能夠處理四個泵浦光波長的波長轉(zhuǎn)換器，圖5C所示的頻率變化曲線能夠使轉(zhuǎn)換效率在相位失配量等于如圖5D所示的{(2π/Λ0)-(2π/Λf)}、(2π/Λ0)、{(2π/Λ0)+(2π/Λf)}以及{(2π/Λ0)+(4π/Λf)}時變?yōu)樽畲蟆?br> 這樣，根據(jù)本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器可以在相位失配量的每2π/Λf個間隔上獲得四個峰值。因此，它能夠利用具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器的一半長度的周期性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)泵浦波長的分隔。例如，假設(shè)通過質(zhì)子交換方法在LiNbO3中形成的光波導(dǎo)被用做非線性光學(xué)介質(zhì)，非線性光學(xué)系數(shù)通過周期性地反轉(zhuǎn)LiNbO3的自發(fā)極化方向而得到調(diào)制，且圖5A與5C中的周期Λf被確定為約14mm或28mm。在這種情況下，與相位匹配曲線的峰值相對應(yīng)的有效泵浦波長的間隔將分別為200GHz和100GHz。換句話說，只需要傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的一半重復(fù)周期就可得到同樣的泵浦波長間隔。作為結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器可以被方便地設(shè)置在直徑為3-4英寸的通用襯底上。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器采用“頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)”作為非線性光學(xué)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，所述“頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)”以周期Λf重復(fù)“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”。在調(diào)制單元結(jié)構(gòu)中，非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制周期是以近乎連續(xù)的方式變化的。因此，這種波長轉(zhuǎn)換器就可以處理所需數(shù)目的泵浦波長。另外，它可以抑制轉(zhuǎn)換效率的降低，并且可以實現(xiàn)能夠方便地利用實用尺寸的非線性光學(xué)介質(zhì)構(gòu)造泵浦波長的可變型波長轉(zhuǎn)換器(以及使用泵浦波長可變型波長轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換設(shè)備)。這些優(yōu)點可以利用本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)而被首次實現(xiàn)。
接下來，將通過實施例1-5對根據(jù)本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第一種結(jié)構(gòu)進行更加詳細的說明。(實施例1)圖6A-6C示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第一個實施例的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)和工作特性。這種波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠接收具有0.78μm頻帶的波長值的泵浦光，并且能夠?qū)⒕哂?.55μm頻帶的波長值的信號光轉(zhuǎn)換為差頻光。這里，圖6A示出了本實施例中使用的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)之中的周期變化曲線；圖6B示出了當(dāng)利用頻帶為1.55μm的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所得到的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖6C則示出了當(dāng)輸入信號光和泵浦光時1.55μm頻帶閑頻光的頻譜。
該波長轉(zhuǎn)換器使用Z向切割(以垂直于Z軸的方向切割的襯底)的LiNbO3襯底。其極化反轉(zhuǎn)部分通過施加電場的方法受到了基本周期約為15.5μm的極化反轉(zhuǎn)(因此“極化反轉(zhuǎn)周期”約為15.5μm)。在以這種方式進行了極化反轉(zhuǎn)處理的襯底上，SiO2圖案通過光刻法被形成。然后，它被浸入至溫度大約為180度的苯甲酸中，然后通過在氧氣環(huán)境中進行退火而形成光波導(dǎo)。按照這種方式構(gòu)成的波長轉(zhuǎn)換器可以處理五個泵浦波長。
接下來將對極化反轉(zhuǎn)部分進行更為詳細的說明。波長轉(zhuǎn)換器的極化反轉(zhuǎn)部分具有下述結(jié)構(gòu)頻率調(diào)制周期Λf(即調(diào)制單元結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期)為14.26mm；極化反轉(zhuǎn)部分的總長度為57.04mm；頻率變化模式被重復(fù)四個周期(＝57.04mm/14.26mm)；并且屬于頻率變化模式的一個周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)目約為920個周期(＝14.26mm/15.5μm)。本實施例是如此配置的，它通過將周期約為15.5μm的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的周期兩兩劃分，從而將頻率變化周期劃分為大約460個子區(qū)段，并且通過對每個極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)單元的周期進行優(yōu)化處理，從而在五個泵浦波長處得到最大轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果是，如圖6A中描繪的周期變化曲線所示，生成的頻率變化使得極化反轉(zhuǎn)周期值在一個頻率調(diào)制周期內(nèi)圍繞中心點15.5μm平滑地變化。
對于本實施例中使用的具有極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的LiNbO3襯底來說，將光刻膠施加到襯底的+Z平面上，然后利用光刻法形成圖案。然后電極被蒸發(fā)(evaporate)到襯底上，并且電場通過電解液被施加在襯底的兩表面上，從而使電極直接接觸的襯底區(qū)域產(chǎn)生極化反轉(zhuǎn)。這里，發(fā)生極化反轉(zhuǎn)的區(qū)域的寬度稍稍寬于電極的寬度。因此，設(shè)計用于光刻法處理的掩模時必須考慮到該寬度差。在本實施例中，當(dāng)計算出理想的頻率變化的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)之后，考慮到反轉(zhuǎn)域?qū)挾鹊脑龃螅栽O(shè)計掩模應(yīng)使光刻膠的寬度寬一些。
圖6B中的橫軸代表了波長轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的0.78μm頻帶的二次諧波波長。另一方面，縱軸代表了轉(zhuǎn)換效率，所述轉(zhuǎn)換效率相對于包括具有相同長度57.04mm的極化反轉(zhuǎn)部分并且在極化反轉(zhuǎn)部分具有15.5μm的均勻周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率而得到歸一化處理。從該圖中所示結(jié)果可以估計出當(dāng)0.78μm頻帶的泵浦光被輸入到波長轉(zhuǎn)換器中以導(dǎo)致產(chǎn)生差頻光時，轉(zhuǎn)換效率與波長之間的關(guān)系。
如圖6B所示，在778.7nm的中心波長附近以約0.4nm的間隔存在有五個峰值，它表明泵浦波長是以200GHz間隔變化的。另外，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)換效率(它約為具有均勻周期的波長轉(zhuǎn)換器的18％)等價于如圖3F所示帶有四個波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，雖然其泵浦波長數(shù)目更多。
圖6C示出了當(dāng)信號光的波長為1548.9nm并且泵浦光的波長被以約0.4nm的間隔改變?yōu)?77.9、778.3、778.7、779.1和779.5nm時的1.55μm頻帶譜。從圖6C可見，閑頻光的波長相應(yīng)于泵浦光波長變化而變化，其間隔約為1.6nm。(實施例2)圖7A-7C示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第二個實施例的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)和工作特性。圖7A示出了本實施例中使用的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)之中的周期變化曲線；圖7B示出了當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所得到的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖7C則示出了當(dāng)輸入信號光和泵浦光時1.55μm頻帶閑頻光的頻譜。
與第一個實施例中能夠處理奇數(shù)個數(shù)目的泵浦波長的波長轉(zhuǎn)換器相比，本實施例的波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠利用偶數(shù)數(shù)目的泵浦波長執(zhí)行波長轉(zhuǎn)換。從圖6A-6C可以看出，第一實施例的結(jié)構(gòu)配置(其中為基本周期Λ0提供了周期為Λf的頻率調(diào)制)具有在其中相位失配量為2π/Λ0的中心點處的周圍每2π/Λf個間隔上的轉(zhuǎn)換效率峰值。因此，當(dāng)將中心峰值被表示為零級峰值時，為了得到偶數(shù)數(shù)目的峰值，則應(yīng)當(dāng)以這樣一種方式來設(shè)定周期變化曲線，即，僅僅讓從中心峰開始計數(shù)的奇數(shù)級值變大，而讓包括零級峰值在內(nèi)的偶數(shù)級峰值變小。
這樣，本實施例被配置成如圖7B所示，其中四個峰(即+3級、+1級、-1級與-3級峰)變?yōu)樽畲笾怠ｍ槺闾峒?，在本實施例中，極化反轉(zhuǎn)周期約為15.5μm，極化反轉(zhuǎn)部分的總長度為57.04mm，調(diào)制單元結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期(頻率調(diào)制周期)Λf為14.26mm，并且頻率變化模式被重復(fù)四個周期。因此，屬于頻率變化模式的一個周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)目大約是920個周期。本實施例是如此配置的，它通過將周期約為15.5μm的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的周期兩兩劃分，從而將頻率變化周期劃分為大約460個子區(qū)段，并且通過對每個極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)單元的周期進行優(yōu)化處理，從而在四個泵浦波長處得到最大轉(zhuǎn)換效率。另外，如圖7A中示出的周期變化曲線所示，生成的頻率變化使得極化反轉(zhuǎn)周期在15.5μm中心點附近的一個周期內(nèi)近似平滑地變化。
如圖7B所示，在778.7nm的中心波長附近以約0.8nm的間隔存在有四個峰值，它表明泵浦光波長是以400GHz的間隔改變的。在本實施例中，頻率變化曲線是如此配置的，它使得峰值按照這樣的間隔被產(chǎn)生，以至于偶數(shù)級次的峰值被消除。作為結(jié)果，盡管本實施例采用了與第一實施例相同的基本周期和頻率調(diào)制周期，但本實施例中的峰值間隔卻是第一實施例中的二倍。按照這種方式，本發(fā)明通過改變周期變化曲線就可以靈活地改變峰值數(shù)目以及峰值間隔。
由圖7B中的縱軸所代表的轉(zhuǎn)換效率是相對于一種波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率而得到歸一化處理的，所述波長轉(zhuǎn)換器包括在具有相同的57.04mm長度的極化反轉(zhuǎn)部分之中的15.5μm的均勻周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。從圖7B中可以看到，本實施例所述波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率約為具有均勻周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率的23％。因此，雖然本實施例的泵浦波長數(shù)目與如圖3F所示的具有四個波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的相同，但本實施例所述波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率卻比所述具有四個波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率大1.25倍左右。
雖然第一實施例是這樣一個例子，它從外部接收處于0.78μm頻帶的泵浦光，并執(zhí)行1.55μm頻帶的波長轉(zhuǎn)換，但這并不是必需的。還可以執(zhí)行所謂的級聯(lián)泵浦，例如，可以使用1.55μm頻帶的光源作為外部泵浦光，并通過非線性光學(xué)介質(zhì)中的SHG效應(yīng)生成0.78μm頻帶的光，以用作泵浦光。
圖7C示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的操作受到級聯(lián)泵浦方案的驗證、信號光的波長為1542.7nm、并且泵浦光的波長被以約1.6nm的間隔改變?yōu)?559.8、1558.2、1556.6和1555.0nm時的1.55μm頻帶譜。從圖7C可以看出，閑頻光的波長相應(yīng)于泵浦光波長的變化而變化，其間隔約為3.2nm。(實施例3)圖8A-8C示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第三個實施例的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)和工作特性。圖8A示出了本實施例中使用的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)之中的周期變化曲線；圖8B示出了當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所得到的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖8C則示出了當(dāng)輸入信號光和泵浦光時1.55μm頻帶閑頻光的頻譜。
前述第二實施例的波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠處理偶數(shù)數(shù)目的泵浦波長。而本實施例的波長轉(zhuǎn)換器除了具有這種能力以外，還被配置成能夠縮短泵浦光波長之間的間隔。盡管第二實施例中通過配置設(shè)定頻率變化曲線從而消除了偶數(shù)級次的峰值，但這并不是必需的。例如，為了得到偶數(shù)數(shù)目的峰值，一種可行的方法是，確定頻率變化曲線，由此在零級峰值附近(包括零級峰值在內(nèi))非對稱地得到一些峰值。這樣，本實施例就被配置成如圖8B所示的那樣，其中有四個峰值(即零級、-1級、-2級與+1級峰)變?yōu)樽畲笾?。順便提及，在本實施例中，極化反轉(zhuǎn)的基本周期Λ0為15.5μm，極化反轉(zhuǎn)部分的總長度是57.04mm，調(diào)制單元結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期(頻率調(diào)制周期)Λf是14.26mm，并且頻率變化模式被重復(fù)四個周期。因此，屬于頻率變化模式的一個周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)目大約是920個周期。本實施例是如此配置的，它通過將周期約為15.5μm的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的周期兩兩劃分，從而將頻率變化周期劃分為大約460個子區(qū)段，并且通過對每個極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)單元的周期進行優(yōu)化處理，從而在四個泵浦波長處得到最大轉(zhuǎn)換效率。另外，如圖8A中示出的周期變化曲線所示，生成的頻率變化使得極化反轉(zhuǎn)周期在15.5μm中心點附近的一個周期內(nèi)近似平滑地變化。
如圖8B所示，在778.7nm的中心波長附近以約0.4nm的間隔存在有四個峰值，它表明泵浦光波長是以200GHz的間隔改變的。在本實施例中，頻率變化曲線是如此配置的，它使得峰值在零級峰值附近被非對稱地產(chǎn)生。作為結(jié)果，盡管本實施例采用了與第二實施例相同的基本周期和頻率調(diào)制周期，但本實施例中的峰值間隔卻是第二實施例中的一半。按照這種方式，本發(fā)明通過改變周期變化曲線就可以靈活地改變峰值數(shù)目以及峰值間隔。
由圖8B中的縱軸所代表的轉(zhuǎn)換效率是相對于一種波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率而得到歸一化處理的，所述波長轉(zhuǎn)換器包括在具有相同的57.04mm長度的極化反轉(zhuǎn)部分之中的15.5μm的均勻周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。從圖8B中可以看到，本實施例所述波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率約為具有均勻周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率的23％。因此，雖然本實施例的泵浦波長數(shù)目與如圖3F所示的具有四個波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的相同，但本實施例所述波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率卻比所述具有四個波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率大1.25倍左右。
通過使用1.55μm頻帶的波長的光作為信號光，并且通過將泵浦光的波長改變?yōu)殚g隔約為0.4nm的778.3、778.7、779.1和779.5nm，本實施例就能以1.6nm的間隔來改變閑頻光的波長。盡管本實施例確定的頻率調(diào)制周期Λf是14.26mm，且以0.4nm的間隔來改變泵浦光的波長，但這并不是必需的。例如，為了將泵浦光波長之間的間隔減半變?yōu)?00GHz，則可以保持其它配置條件不變，而只將頻率調(diào)制周期倍增為28.52mm。該周期在通用的3-4英寸直徑的襯底上是可以實現(xiàn)的。按照這種方式，依照本發(fā)明，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計周期變化曲線(即，頻率變化函數(shù))，就能夠使周期結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的相比變短，從而能夠處理更窄的波長間隔，例如100GHz。
當(dāng)入射到本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器上的泵浦光的能量足夠大時，它不僅能產(chǎn)生差頻光，還能利用參量效應(yīng)放大輸入光。為了驗證這一點，本實施例采用1.55μm頻帶的光源作為外部泵浦光，并且通過非線性光學(xué)介質(zhì)中的SHG效應(yīng)以產(chǎn)生0.78μm頻帶的光，然后通過采用0.78μm頻帶的光作為泵浦光的級聯(lián)方案以對放大率進行驗證。
更具體地說，泵浦光由重復(fù)頻率為100MHz、時間寬度為100ps的泵浦光脈沖串(pulse train)組成，而信號光則由重復(fù)頻率為100MHz、時間寬度為10ps的脈沖串組成。信號光與泵浦光脈沖串被同步輸入到本實施例所述的波長轉(zhuǎn)換器中，用以驗證放大率。
圖8C示出了利用級聯(lián)泵浦對本實施例所述波長轉(zhuǎn)換器進行驗證時所獲得的1.55μm頻帶譜，其中信號光的波長為1540.0nm，泵浦光的變化為1557.4和1559.0nm。如圖8C所示，閑頻光的波長相應(yīng)于泵浦光的波長變化而變化。另外，與未提供泵浦光的情形相比，輸入光被放大了約12dB，這意味著閑頻光的能量等價于信號光的能量。(實施例4)圖9A和9B示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第四個實施例的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)和工作特性。圖9A示出了本實施例中使用的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制結(jié)構(gòu)之中的周期變化曲線；圖9B示出了當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所得到的歸一化的轉(zhuǎn)換效率。
與能夠處理四至五個泵浦波長的第一至第三實施例相比，本實施例所述的波長轉(zhuǎn)換器能夠利用更多數(shù)目的泵浦波長進行波長轉(zhuǎn)換。如圖9B所示，它被配置成使八個奇數(shù)級次的峰值變?yōu)樽畲蟆?br> 在本實施例中，極化反轉(zhuǎn)的基本周期Λ0為15.5μm，極化反轉(zhuǎn)部分的總長度為57.04mm，調(diào)制單元結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期(頻率調(diào)制周期)Λf為14.26mm，并且頻率變化模式被重復(fù)四個周期。因此，屬于頻率變化模式的一個周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)目大約是920個周期。本實施例是如此配置的，它通過將周期大約為15.5μm的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的周期兩兩劃分，從而將頻率變化周期劃分為大約460個子區(qū)段，并且通過對每個極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)單元的周期進行優(yōu)化處理，從而在四個泵浦波長處得到最大轉(zhuǎn)換效率。另外，如圖9A中示出的周期變化曲線所示，生成的頻率變化使得極化反轉(zhuǎn)周期在本實施例所述的波長轉(zhuǎn)換器的15.5μm中心點附近的一個周期內(nèi)近似平滑地變化。
如圖9B所示，波長轉(zhuǎn)換器可以在778.7nm的波長附近以0.8nm的間隔產(chǎn)生八個峰值，這意味著泵浦光波長在400GHz的間隔上變化。
當(dāng)使用1.55μm頻帶的波長光作為信號光并在780nm附近以0.4nm的間隔改變泵浦光的波長時，本實施例能夠相應(yīng)地以3.2nm的間隔改變閑頻光的波長。因此，依照本發(fā)明，即使泵浦波長數(shù)目非常多，也可以通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計頻率變化函數(shù)，從而很方便地設(shè)計制造出波長轉(zhuǎn)換器。(實施例5)圖10的框圖示出了含有本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換設(shè)備的第一種結(jié)構(gòu)。波長轉(zhuǎn)換設(shè)備100包括泵浦光發(fā)生器101，泵浦光發(fā)生器101使用1.55μm頻帶內(nèi)振蕩波長不同的五個半導(dǎo)體激光器以作為泵浦源102。從泵浦源102輸出的激光束通過由陣列波導(dǎo)光柵構(gòu)成的多路復(fù)用器103復(fù)合，而后被摻有鉺(Er)的光纖放大器104放大并輸出作為泵浦光。多路復(fù)用器106由多層介質(zhì)構(gòu)成，用于對信號光108和泵浦光進行復(fù)合，而且復(fù)合的光被入射到本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器107中，從而發(fā)射出閑頻光109。順便提及，本實施例使用的波長轉(zhuǎn)換器107是如第一實施例所述的能夠處理五個泵浦波長的波長轉(zhuǎn)換器。
本實施例采用級聯(lián)泵浦方案，它使用了1.55μm頻帶的外部泵浦光。通過準備五個振蕩波長位于0.78μm頻帶內(nèi)并且振蕩波長各不相同的半導(dǎo)體激光器也可以構(gòu)成類似的轉(zhuǎn)換器。在這種情形下，可以省去摻有鉺的光纖放大器104，或者可以使用其它的半導(dǎo)體激光放大器。在本實施例中，用作泵浦源102的半導(dǎo)體激光器具有的波長為1555.8、1556.6、1557.4、1558.2和1559.0nm，其間隔約為0.8nm。
利用一泵浦波長控制器105選擇一個半導(dǎo)體激光器以使其產(chǎn)生振蕩，就可使閑頻光的波長能夠按照如圖6C所示的方式以1.6nm的間隔變化。另外，同時使多個半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生振蕩，就有可能同時生成多個間隔為1.6nm的閑頻光光束109。
雖然本實施例利用了多個泵浦源來構(gòu)成泵浦光發(fā)生器101，但這并不是必需的。例如，通過利用具有可變振蕩波長的單個光源或能夠在多個波長之間切換的光源，也可以構(gòu)成類似的波長轉(zhuǎn)換器。
另外，雖然本實施例使用LiNbO3作為非線性光學(xué)材料，但這也不是必需的。例如，還可以選擇使用多種其非線性光學(xué)系數(shù)可被反轉(zhuǎn)或調(diào)制的二次非線性光學(xué)材料(如，LiTaO3、KNbO3、KTaO3、LixK1-xTayNb1-yO3、類似于KTP的氧化物晶體、類似于AlGaAs的半導(dǎo)體材料、以及有機材料等)。
還有，雖然本實施例中包括的波長轉(zhuǎn)換器在非線性光學(xué)介質(zhì)中具有很強的光學(xué)限制效應(yīng)并且光波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)長距離相互作用，從而達到實現(xiàn)高波長轉(zhuǎn)換效率的目的，但這并不是必需的。例如，可采用整體型器件結(jié)構(gòu)來轉(zhuǎn)換高能量激光的波長。(波長轉(zhuǎn)換器的第二種結(jié)構(gòu))圖11A和11B的示意圖示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第二種結(jié)構(gòu)。下面將以差頻發(fā)生器為例進行說明，所述差頻發(fā)生器將諸如LiNbO3的鐵電晶體用做非線性光學(xué)介質(zhì)，它能夠通過反轉(zhuǎn)極化方向從而使非線性光學(xué)系數(shù)的正負號反轉(zhuǎn)。
如圖11A所示，差頻發(fā)生器在非線性光學(xué)材料襯底111中形成有光波導(dǎo)112。它通過對非線性光學(xué)介質(zhì)的自發(fā)極化方向進行周期性地反轉(zhuǎn)以實現(xiàn)非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制，并且利用波長為λ3的泵浦光115將波長為λ1的信號光113轉(zhuǎn)換為波長值為λ2的閑頻光(差頻光)114。
在差頻發(fā)生器中，非線性光學(xué)系數(shù)沿非線性光學(xué)介質(zhì)的縱向受到周期性的調(diào)制，就像第一種結(jié)構(gòu)中所述的那樣。但是，如圖11B所示，非線性光學(xué)系數(shù)具有由“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”和“相位調(diào)制結(jié)構(gòu)”構(gòu)成的“由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)”?！罢{(diào)制單元結(jié)構(gòu)”指的是這樣一種結(jié)構(gòu)，其中非線性光學(xué)系數(shù)的周期性調(diào)制的相位沿光波導(dǎo)112的方向以每個固定周期(基本周期)Λ0進行連續(xù)的變化。另一方面，“相位調(diào)制結(jié)構(gòu)”指的是這樣一種結(jié)構(gòu)，其中“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”的相位變化在每一個調(diào)制周期Λph中重復(fù)。波長為λ1的信號光113和波長為λ3的泵浦光115通過多路復(fù)用器117被輸入到在非線性光學(xué)材料襯底111上形成的非線性光學(xué)介質(zhì)的光波導(dǎo)112中，并在由泵浦光115在非線性光學(xué)介質(zhì)中引起的二次非線性光學(xué)效應(yīng)作用下，產(chǎn)生波長值為λ2的閑頻光114，閑頻光114的波長值λ2與信號光113的波長值λ1不同。
盡管圖11A和11B所示的光波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)，其在非線性光學(xué)介質(zhì)中具有很強的光學(xué)限制效應(yīng)并且能夠獲取很長距離的相互作用，以達到獲取高的波長轉(zhuǎn)換效率的目的，但是它并不是必需的。例如，一種用于對高能量激光的波長進行轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器可以采用整體型結(jié)構(gòu)。
圖12A-12C示出了圖11A所示差頻發(fā)生器的非線性光學(xué)介質(zhì)中的調(diào)制單元結(jié)構(gòu)和相位調(diào)制結(jié)構(gòu)的詳細情況。圖12A示出了非線性光學(xué)系數(shù)在相位調(diào)制結(jié)構(gòu)的一部分的縱向方向中的變化特性。如圖12A所示，其中以基本周期Λ0的間隔對非線性光學(xué)系數(shù)中的變化進行了劃分，盡管非線性光學(xué)系數(shù)是以均勻周期Λ0被反轉(zhuǎn)的(從+1到-1，或從-1到+1)，但是每個周期(或每隔若干個周期)的初相位是逐漸地變化著。圖12B示出了在圖12A所示各個基本周期Λ0上的相位變化情況。
對結(jié)構(gòu)施加相位調(diào)制，以使相位在圖12A所示縱向方向中超前，此舉產(chǎn)生的效果相當(dāng)于縮短了周期。反之，使相位在縱向方向中延遲的結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致產(chǎn)生的效果相當(dāng)于增大了周期。帶有這種相位調(diào)制的非線性光學(xué)系數(shù)的調(diào)制單元結(jié)構(gòu)具有這樣一種結(jié)構(gòu)，它以長于周期Λ0的周期Λph而受到重復(fù)，如圖12C所示。
與能夠180度反轉(zhuǎn)相位的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器不同，本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器采用了這樣一種調(diào)制單元結(jié)構(gòu)，其中周期性調(diào)制的相位是連續(xù)變化的。由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的相位變化由這樣的相位調(diào)制結(jié)構(gòu)組成，其中調(diào)制單元結(jié)構(gòu)中的相位變化被以圖12C所示的周期Λph重復(fù)。通過在對具有這樣一種長周期重復(fù)結(jié)構(gòu)的周期調(diào)制型非線性光學(xué)材料進行相位調(diào)制時改變相位調(diào)制波形(相位調(diào)制曲線)，這種波長轉(zhuǎn)換器就能夠處理所需數(shù)目的泵浦波長，而不會大量損耗轉(zhuǎn)換效率。順便提及，用于確定相位調(diào)制曲線的方法與前述用于確定頻率變化曲線的方法相同。
圖13A-13D示出了本發(fā)明所述能夠處理多種數(shù)目的泵浦波長的波長轉(zhuǎn)換器的相位調(diào)制曲線以及轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的關(guān)系曲線的多個例子。在這些附圖中，轉(zhuǎn)換效率相對于其非線性介質(zhì)具有相同長度但未經(jīng)相位調(diào)制的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率而得到歸一化處理。
例如，圖13A和13B分別示出了與三條泵浦光波長相對應(yīng)的波長轉(zhuǎn)換器的相位變化曲線以及轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的關(guān)系曲線。與如圖3C和3D所示的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的特性相比，這些附圖中，轉(zhuǎn)換效率與相位失配量之間的關(guān)系曲線的偽副峰值被減小，并且其轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的效率提高了30％。
通過適當(dāng)確定“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”的基本周期Λ0、“相位調(diào)制結(jié)構(gòu)”的相位調(diào)制周期Λph、以及由調(diào)制單元結(jié)構(gòu)和相位調(diào)制結(jié)構(gòu)構(gòu)成的“由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)”的相位調(diào)制曲線，以改變相位匹配曲線的形狀，本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器就能夠容易地處理所需數(shù)目的泵浦波長。確定周期Λ0、Λph以及相位調(diào)制曲線的方法根據(jù)目的不同而不同。但是，如前所述，在任何這些方法中相位調(diào)制曲線都是如此確定的，即，當(dāng)相位失配量Δβ等于由周期Λ0、Λph確定的特定值時，轉(zhuǎn)換效率具有局部最大值。
在這種情形下，假定通過質(zhì)子交換方法在LiNbO3中形成的光波導(dǎo)被用作非線性光學(xué)介質(zhì)，非線性光學(xué)系數(shù)通過周期性地反轉(zhuǎn)LiNbO3的自發(fā)極化方向而得到調(diào)制，并且圖13A與13C中的周期Λph確定約為14mm或28mm。在這種情況下，與相位匹配曲線的峰值相應(yīng)的有效泵浦波長之間的間隔分別為200GHz和100GHz。換句話說，它能夠在重復(fù)周期只為傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的重復(fù)周期的一半的情況下，實現(xiàn)相同的泵浦波長間隔。因此，本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器就可被容易地設(shè)置在3-4英寸直徑的通用襯底上。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器具有所述的“由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)”，它將“相位調(diào)制結(jié)構(gòu)”(其中“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”被以周期Λph重復(fù))引入到非線性光學(xué)系數(shù)的周期反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中。這里，“調(diào)制單元結(jié)構(gòu)”在非線性光學(xué)介質(zhì)中光的行進方向上的相位變化以近乎連續(xù)的方式變化。因此，它可以處理所需數(shù)目的泵浦波長。另外，它還能夠抑制轉(zhuǎn)換效率的降低，并且可以實現(xiàn)能夠簡單地利用實用尺寸的非線性光學(xué)介質(zhì)而構(gòu)成的泵浦波長可變型波長轉(zhuǎn)換器(以及使用這種泵浦波長可變型波長轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換設(shè)備)。
接下來將通過實施例6-10對本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第二種結(jié)構(gòu)進行更加詳細的說明。(實施例6)圖14A-14C示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第六個實施例的各種特性。波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠接收具有0.78μm頻帶波長值的泵浦光，并將具有1.55μm頻帶波長值的信號光轉(zhuǎn)換為差頻光。這里，圖14A示出了本實施例中使用的非線性光學(xué)系數(shù)的由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)之中的相位調(diào)制曲線；圖14B示出了當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所得到的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖14C則示出了1.55μm頻帶的閑頻光的頻譜。
該波長轉(zhuǎn)換器使用Z向切割(以垂直于Z軸的方向切割的襯底)的LiNbO3襯底。其極化反轉(zhuǎn)部分通過施加電場的方法受到了基本周期約為15.5μm的極化反轉(zhuǎn)。在以這種方式進行了極化反轉(zhuǎn)處理的襯底上，SiO2圖案通過光刻法被形成。然后，它被浸入至溫度大約為180度的苯甲酸中，然后通過在氧氣環(huán)境中進行退火而形成光波導(dǎo)。按照這種方式構(gòu)成的波長轉(zhuǎn)換器可以處理五個泵浦波長。
波長轉(zhuǎn)換器的極化反轉(zhuǎn)部分具有下述結(jié)構(gòu)相位調(diào)制周期Λph為14.26mm；極化反轉(zhuǎn)部分的總長度為57.04mm；相位調(diào)制模式被重復(fù)四個周期(＝57.04mm/14.26mm)；并且屬于一個相位調(diào)制周期Λph的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)目920個周期(＝14.26mm/15.5μm)。本實施例是如此配置的，它通過將周期約為15.5μm的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的周期兩兩劃分，從而將相位調(diào)制周期劃分為大約460個子區(qū)段，并且通過對每個極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)單元的相位進行優(yōu)化處理，從而在五個泵浦波長處得到最大轉(zhuǎn)換效率。
波長轉(zhuǎn)換器中的非線性光學(xué)介質(zhì)受到相位調(diào)制，這種相位調(diào)制以與非線性光學(xué)系數(shù)的由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)之中的相位調(diào)制曲線同樣的方式在一個周期內(nèi)平滑地從相位零變化為約1.6π，如圖14A所示。
對于本實施例中使用的具有極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的LiNbO3襯底來說，將光刻膠施加到襯底的+Z平面上，然后利用光刻法形成圖案。然后電極被蒸發(fā)(evaporate)到襯底上，并且電場通過電解液被施加在襯底上，從而使電極直接接觸的襯底區(qū)域的極化方向被反轉(zhuǎn)。這里，發(fā)生極化反轉(zhuǎn)的區(qū)域的寬度稍稍寬于電極的寬度。因此，設(shè)計用于光刻法處理的掩模時必須考慮到該寬度差。在本實施例中，當(dāng)計算出理想的相位調(diào)制結(jié)構(gòu)之后，考慮到反轉(zhuǎn)域?qū)挾鹊脑龃?，所以設(shè)計掩模應(yīng)使光刻膠的寬度寬一些。
圖14B中的橫軸代表了本實施例所述波長轉(zhuǎn)換設(shè)備中的波長轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的0.78μm頻帶的二次諧波的波長。另一方面，縱軸則代表了轉(zhuǎn)換效率，所述轉(zhuǎn)換效率相對于包括具有相同長度57.04mm的極化反轉(zhuǎn)部分并且在極化反轉(zhuǎn)部分具有15.5μm的均勻周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率而得到歸一化處理。從該圖中所示結(jié)果可以估計出當(dāng)0.78μm頻帶的泵浦光被輸入到波長轉(zhuǎn)換器中以導(dǎo)致產(chǎn)生差頻光時，轉(zhuǎn)換效率與波長之間的關(guān)系。
如圖14B所示，在778.7nm的中心波長附近以約0.4nm的間隔存在有五個峰值，它表明泵浦光波長是以200GHz的間隔變化的。另外，從圖中可以看出，雖然其泵浦波長數(shù)目更多，但其轉(zhuǎn)換效率(它約為具有均勻周期的波長轉(zhuǎn)換器的18％)卻等價于如圖3F所示帶有四個波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。
圖14C示出了當(dāng)信號光的波長為1548.9nm并且泵浦光的波長被以0.4nm的間隔改變?yōu)?77.9、778.3、778.7、779.1和779.5nm時的1.55μm頻帶譜。從圖14C可見，閑頻光的波長相應(yīng)于泵浦光波長的變化而變化，其間隔約為1.6nm。(實施例7)圖15A-15C示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第七個實施例的各種特性。圖15A示出了波長轉(zhuǎn)換器的相位調(diào)制曲線；圖15B示出了當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所得到的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖15C則示出了1.55μm頻帶的閑頻光的頻譜。
與配置成能夠應(yīng)對奇數(shù)個數(shù)目的泵浦波長的第六實施例的波長轉(zhuǎn)換器相比，本實施例的波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠利用偶數(shù)數(shù)目的泵浦波長來執(zhí)行波長的轉(zhuǎn)換。參見圖14B，前述第六實施例的結(jié)構(gòu)(它為調(diào)制單元結(jié)構(gòu)的基本周期Λ0提供了周期為Λph的相位調(diào)制)的轉(zhuǎn)換效率的峰值以2π/Λf的間隔出現(xiàn)在相位失配量等于2π/Λ0的中心點附近。因此，當(dāng)將中心峰值表示為零級峰值時，為了得到偶數(shù)數(shù)目的峰值，則應(yīng)當(dāng)以這樣一種方式設(shè)定相位調(diào)制曲線，即，僅讓從中心峰值開始計數(shù)的奇數(shù)級峰值變大，而且讓包括零級峰值在內(nèi)的偶數(shù)級峰值變小。
這樣，本實施例被配置成如圖15B所示，其中四個峰值(即+3級、+1級、-1級與-3級)變?yōu)樽畲笾?。順便提及，在本實施例中，極化反轉(zhuǎn)周期大約為15.5μm，極化反轉(zhuǎn)部分的總長度是57.04mm，相位調(diào)制周期為14.26mm，并且相位調(diào)制模式被重復(fù)四個周期。因此，屬于相位調(diào)制模式的一個周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)目是920個周期。本實施例是如此配置的，它通過將周期大約為15.5μm的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的周期兩兩劃分，從而將相位調(diào)制周期劃分為460個子區(qū)段，并且通過對每個極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)單元的周期進行優(yōu)化處理，從而在四個泵浦波長處得到最大轉(zhuǎn)換效率。另外，如圖15A中示出相位調(diào)制曲線所示，相位調(diào)制被產(chǎn)生以使相位在一個周期內(nèi)平滑地從零變化至約1.6π。
如圖15B所示，在778.7nm的中心波長附近以約0.8nm的間隔存在有四個峰值，它表明泵浦光波長是以400GHz的間隔變化的。在本實施例中，相位調(diào)制曲線被配置成能夠以除去了偶數(shù)級峰值的間隔來產(chǎn)生峰值。作為結(jié)果，盡管本實施例與第六個實施例采用了相同的相位調(diào)制周期，但本實施例中的峰值間隔卻是第六個實施例中的二倍。以這種方式，本發(fā)明通過改變相位調(diào)制曲線就可以靈活地改變峰值的數(shù)目以及峰值間隔。
由圖15B中的縱軸所代表的轉(zhuǎn)換效率是相對于一種波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率而得到歸一化處理的，所述波長轉(zhuǎn)換器包括長度為57.04mm并且具有15.5μm的均勻周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。從圖15B中可以看到，本實施例所述波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率約為具有均勻周期的極化反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率的23％。因此，雖然本實施例的泵浦波長數(shù)目與如圖3F所示的具有四個波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的相同，但本實施例所述波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率卻比所述具有四個波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率大1.25倍左右。
雖然第六實施例是這樣一個例子，它從外部接收0.78μm頻帶的泵浦光，并執(zhí)行1.55μm頻帶內(nèi)的波長轉(zhuǎn)換，但這并不是必需的。還可以執(zhí)行所謂的級聯(lián)泵浦，它可以使用1.55μm頻帶的光源作為外部泵浦光，并通過非線性光學(xué)介質(zhì)中的SHG效應(yīng)生成0.78μm頻帶的光，以用作泵浦光。
圖15C示出了在本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的操作受到級聯(lián)泵浦方案的驗證、信號光的波長為1542.7nm、并且泵浦光的波長被以約1.6nm的間隔改變?yōu)?559.8、1558.2、1556.6和1555.0nm時的1.55μm頻帶譜。從圖15C可以看出，閑頻光的波長相應(yīng)于泵浦光波長的變化而變化，其間隔約為3.2nm。(實施例8)圖16A-16C示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第八個實施例的各種特性。圖16A示出了波長轉(zhuǎn)換器的相位調(diào)制曲線；圖16B示出了當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所得到的歸一化的轉(zhuǎn)換效率；圖16C則示出了1.55μm頻帶的閑頻光的頻譜。
前述第七實施例的波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠處理偶數(shù)數(shù)目的泵浦波長。除了具有這個能力以外，本實施例的波長轉(zhuǎn)換器還能夠縮短泵浦波長之間的間隔。盡管第七實施例中的相位調(diào)制曲線被配置成通過消除偶數(shù)級次的峰值來獲得峰值，但這并不是必需的。例如，為了實現(xiàn)偶數(shù)數(shù)目的峰值，一種可行的方法是，確定相位調(diào)制曲線，以在零級峰值附近(包括零級峰值)非對稱地獲得一些峰值。因此，本實施例被配置成如圖16B所示，其中四個峰值(即零級、-1級、-2級與+1級峰值)變?yōu)樽畲笾?。順便提及，在本實施例中，極化反轉(zhuǎn)的基本周期Λ0為15.5μm，極化反轉(zhuǎn)部分的總長度是57.04mm，相位調(diào)制周期Λph是14.26mm，并且相位調(diào)制模式被重復(fù)四個周期。因此，屬于相位調(diào)制模式的一個周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)目是920個周期。本實施例是如此配置的，它通過將周期大約為15.5μm的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的周期兩兩劃分，從而將相位調(diào)制周期劃分為460個子區(qū)段，并且通過對每個極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)單元的相位進行優(yōu)化處理，從而在四個泵浦波長處得到最大轉(zhuǎn)換效率。另外，如圖16A示出的相位調(diào)制曲線所示，相位調(diào)制被產(chǎn)生以使相位在一個周期內(nèi)近乎平滑地從-0.1π變化至約1.1π。
如圖16B所示，在778.7nm的中心波長附近以約0.4nm的間隔存在有四個峰值，它表明泵浦波長是以200GHz的間隔變化的。在本實施例中，相位調(diào)制曲線被配置成能夠在零級峰值附近非對稱地生成四個峰值。作為結(jié)果，盡管本實施例與第七實施例采用了相同的相位調(diào)制周期，但其峰值間隔值卻是第七實施例的一半。按照這種方式，本發(fā)明通過改變相位調(diào)制曲線就可以靈活地改變峰值的數(shù)目以及峰值間隔。
由圖16B中的縱軸所代表的轉(zhuǎn)換效率是相對于一種波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率而得到歸一化處理的，所述波長轉(zhuǎn)換器包括長度為57.04mm并且具有15.5μm的均勻周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。從圖16B中可以看到，本實施例所述波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率約為具有均勻周期的極化反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率的23％。因此，雖然本實施例的泵浦波長數(shù)目與如圖3F所示的具有四個波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的相同，但本實施例所述波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率卻比所述具有四個波長的傳統(tǒng)波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率大1.25倍左右。
通過使用1.55μm頻帶波長的光作為信號光，并且通過將泵浦光的波長改變?yōu)殚g隔約為0.4nm的778.3、778.7、779.1和779.5nm，本實施例就能以1.6nm的間隔來改變閑頻光的波長。盡管本實施例確定的相位調(diào)制周期是14.26mm，以用200GHz的間隔來改變泵浦光的波長，但這并不是必需的。例如，為了將泵浦光波長之間的間隔減半變?yōu)?00GHz，則可以保持其它配置條件不變，而只將相位調(diào)制周期倍增為28.52mm。該周期在通用的3-4英寸直徑的襯底上是可以實現(xiàn)的。這樣，根據(jù)本發(fā)明，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計相位調(diào)制函數(shù)，就可使周期結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的相比變短，從而能夠處理更窄的波長間隔，例如100GHz。
當(dāng)入射到本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器上的泵浦光的能量足夠大時，它不僅能產(chǎn)生差頻光，還能利用參量效應(yīng)放大輸入光。為了驗證這一點，本實施例采用1.55μm頻帶的光源作為外部泵浦光，并且通過非線性光學(xué)介質(zhì)中的SHG效應(yīng)以產(chǎn)生0.78μm頻帶的光，然后通過采用0.78μm頻帶的光作為泵浦光的級聯(lián)方案以對放大率進行驗證。
更具體地說，泵浦光由重復(fù)頻率為100MHz、時間寬度為100ps的泵浦光脈沖串(pulse train)組成，而信號光則由重復(fù)頻率為100MHz、時間寬度為10ps的脈沖串組成。信號光與泵浦光脈沖串被同步輸入到本實施例所述的波長轉(zhuǎn)換器中，用以驗證放大率。
圖16C示出了利用級聯(lián)泵浦對本實施例所述波長轉(zhuǎn)換器進行驗證時所獲得的1.55μm頻帶譜，其中信號光的波長為1540.0nm，泵浦光的變化為1557.4和1559.0nm。如圖16C所示，閑頻光的波長相應(yīng)于泵浦光的波長變化而變化。另外，與未提供泵浦光的情形相比，輸入光被放大了約12dB，這意味著閑頻光的能量等價于信號光的能量。(實施例9)圖17A和17B示出了本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第九個實施例的各種特性。圖17A示出了波長轉(zhuǎn)換器的相位調(diào)制曲線；圖17B示出了當(dāng)利用1.55μm頻帶的波長可調(diào)光源進行SHG特性評測時所得到的歸一化的轉(zhuǎn)換效率。
與被配置成能夠處理四至五個泵浦波長的第六至第八實施例相比，本實施例所述的波長轉(zhuǎn)換器能夠利用更多數(shù)目的泵浦波長進行波長轉(zhuǎn)換。如圖17B所示，它被配置成使八個奇數(shù)級次的峰值變?yōu)樽畲蟆?br> 在本實施例中，極化反轉(zhuǎn)的基本周期為15.5μm，極化反轉(zhuǎn)部分的總長度為57.04mm，相位調(diào)制周期為14.26mm，并且相位調(diào)制模式被重復(fù)四個周期。因此，屬于相位調(diào)制模式的一個周期的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)目為920個周期。本實施例是如此配置的，它通過將周期大約為15.5μm的極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的周期兩兩劃分，從而將相位調(diào)制周期劃分為460個子區(qū)段，并且通過對每個極化反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)單元的周期進行優(yōu)化處理，從而在四個泵浦波長處得到最大轉(zhuǎn)換效率。另外，如圖17A中示出的相位調(diào)制曲線所示，相位調(diào)制被產(chǎn)生以使相位在一個周期內(nèi)近乎平滑地從零改變至2.7π。如圖17B所示，波長轉(zhuǎn)換器可以在778.7nm的波長附近以0.8nm的間隔產(chǎn)生八個峰值，這意味著泵浦光波長在400GHz的間隔上變化。
當(dāng)使用1.55μm頻帶波長的光作為信號光并在780nm附近以0.4nm的間隔改變泵浦光的波長時，本實施例能夠相應(yīng)地以3.2nm的間隔改變閑頻光的波長。因此，依照本發(fā)明，即使泵浦波長數(shù)目非常多，也可以通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計相位調(diào)制函數(shù)，從而很方便地設(shè)計制造出波長轉(zhuǎn)換器。(實施例10)圖18的框圖示出了含有本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的波長轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)構(gòu)。波長轉(zhuǎn)換設(shè)備180包括泵浦光發(fā)生器181，泵浦光發(fā)生器181使用1.55μm頻帶內(nèi)振蕩波長不同的五個半導(dǎo)體激光器以作為泵浦源182。從泵浦源182輸出的激光束通過由陣列波導(dǎo)光柵構(gòu)成的多路復(fù)用器183復(fù)合，而后被摻有鉺(Er)的光纖放大器184放大并輸出作為泵浦光。信號光188和泵浦光被由多層介質(zhì)構(gòu)成的多路復(fù)用器186復(fù)合，并且被入射到本發(fā)明所述的波長轉(zhuǎn)換器187中，從而發(fā)射出閑頻光189。順便提及，本實施例使用的波長轉(zhuǎn)換器187是如第一實施例所述的能夠處理五個泵浦波長的波長轉(zhuǎn)換器。
本實施例采用級聯(lián)泵浦方案，它使用了1.55μm頻帶的外部泵浦光。通過準備五個振蕩波長位于0.78μm頻帶內(nèi)并且振蕩波長各不相同的半導(dǎo)體激光器也可以構(gòu)成類似的轉(zhuǎn)換器。在這種情形下，可以省去摻有鉺的光纖放大器184，或者可以使用其它的半導(dǎo)體激光放大器。在本實施例中，用作泵浦源182的半導(dǎo)體激光器具有的波長為1555.8、1556.6、1557.4、1558.2和1559.0nm，其間隔約為0.8nm。
利用一泵浦波長控制器185選擇一個半導(dǎo)體激光器以使其產(chǎn)生振蕩，就可使閑頻光的波長能夠按照如圖14C所示的方式以1.6nm的間隔變化。另外，同時使多個半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生振蕩，就有可能同時生成多個間隔為1.6nm的閑頻光光束189。
雖然本實施例利用了多個泵浦源來構(gòu)成泵浦光發(fā)生器181，但這并不是必需的。例如，通過利用具有可變振蕩波長的單個光源或能夠在多個波長之間切換的光源，也可以構(gòu)成類似的波長轉(zhuǎn)換器。
另外，雖然本實施例使用LiNbO3來作為非線性光學(xué)材料，但這也不是必需的。例如，還可以選擇使用多種其非線性光學(xué)系數(shù)可被反轉(zhuǎn)或調(diào)制的二次非線性光學(xué)材料(如，LiTaO3、KNbO3、KTaO3、LixK1-xTayNb1-yO3、類似于KTP的氧化物晶體、類似于AlGaAs的半導(dǎo)體材料、以及有機材料等)。
還有，雖然本實施例中包括的波長轉(zhuǎn)換器在非線性光學(xué)介質(zhì)中具有很強的光學(xué)限制效應(yīng)并且光波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)長距離相互作用，從而達到實現(xiàn)高波長轉(zhuǎn)換效率的目的，但這并不是必需的。例如，可采用整體型器件結(jié)構(gòu)來轉(zhuǎn)換高能量激光的波長。
本發(fā)明所述波長轉(zhuǎn)換器的第一種和第二種結(jié)構(gòu)是以差頻發(fā)生器為例進行描述說明的，所述差頻發(fā)生器具有波長轉(zhuǎn)z換器中的非線性光學(xué)介質(zhì)，它能夠接收波長不同的兩束光(即信號光和泵浦光)，并且輸出波長值為這兩束輸入光的波長值的差值的閑頻光。但是，不同類型的入射光或輸出光也是可以采用的。例如，這樣一種結(jié)構(gòu)也是可能的，它能夠輸入一束或兩束波長值為滿足下列公式的三個波長值(λ1、λ2和λ3，包含λ1＝λ2的情況)的光束，并且將輸入光轉(zhuǎn)換成波長值等于所述三個波長值之一且至少與其中一個輸入光的波長值不同的光。1λ3=1λ1+1λ2---(7)]]>例如，可以存在具有這樣一種結(jié)構(gòu)的波長轉(zhuǎn)換器，它輸入波長值為λ1和λ2的兩束輸入光，并且輸出對應(yīng)于兩束輸入光的和頻率的波長值為λ3的光?；蛘咚梢暂斎雰墒ㄩL值滿足關(guān)系式λ1＝λ2的光，并且輸出與輸入光的二次諧波相對應(yīng)的波長值為λ3＝2λ1的光。根據(jù)本發(fā)明所述，這些結(jié)構(gòu)也可以改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL，由此能夠?qū)崿F(xiàn)輸出光的波長轉(zhuǎn)換。
以上根據(jù)優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了詳盡的說明。通過上述說明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以明白，在不背離本發(fā)明較寬方面的前提下可以對本發(fā)明進行多種改變和修改。因此，所有的這些不背離本發(fā)明精神的改變和修改都落入在附帶的權(quán)利要求書的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種波長轉(zhuǎn)換器，包括具有由頻率調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)介質(zhì)，所述由頻率調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)由調(diào)制單元結(jié)構(gòu)和頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)組成，所述調(diào)制單元結(jié)構(gòu)具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中非線性光學(xué)系數(shù)在光的行進方向中以近似等于基本周期Λ0的周期近乎連續(xù)地變化，所述頻率調(diào)制結(jié)構(gòu)則具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中調(diào)制單元結(jié)構(gòu)被以長于所述基本周期Λ0的頻率調(diào)制周期Λf重復(fù)；以及用于將光發(fā)射到非線性光學(xué)介質(zhì)上的裝置，所述光具有三個波長值λ1、λ2、λ3之中的一個或兩個波長值，包括λ1＝λ2的情況在內(nèi)，所述三個波長值λ1、λ2、λ3滿足下述公式，1λ3=1λ1+1λ2]]>其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換器利用在非線性光學(xué)介質(zhì)中發(fā)生的二次非線性光學(xué)效應(yīng)，將輸入光轉(zhuǎn)換成輸出光，所述輸出光的波長值等于所述三個波長值中的一個，并且與入射光的至少一個波長值不同。
2.一種波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括泵浦源，它能夠改變其振蕩波長或者能夠在多個振蕩波長之間切換；以及由權(quán)利要求1定義的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠通過外部提供的輸入信號光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中生成差頻光；以及通過選擇具有可使所述差頻光的生成效率達到最大的相位失配量的泵浦光的波長來轉(zhuǎn)換所述差頻光的波長值。
3.如權(quán)利要求1所述的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述基本周期Λ0和頻率調(diào)制周期Λf以及由頻率調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的頻率變化曲線是如此確定的，以至于轉(zhuǎn)換效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ0±2πi/Λf(i＝0，1，…，n，其中n為正整數(shù))時達到最大值，所述相位失配量Δβ由以下公式給出Δβ=2π·(n3λ3-n2λ2-n1λ1)]]>其中，n1、n2和n3是非線性光學(xué)介質(zhì)針對與在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中的波長轉(zhuǎn)換有關(guān)的三個波長(λ1、λ2、λ3)的折射率。
4.一種波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括泵浦源，它能夠改變其振蕩波長或者能夠在多個振蕩波長之間切換；以及由權(quán)利要求3定義的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠通過外部提供的輸入信號光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中生成差頻光；以及通過選擇具有可使所述差頻光的生成效率達到最大的相位失配量的泵浦光的波長來轉(zhuǎn)換所述差頻光的波長值。
5.如權(quán)利要求1所述的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述基本周期Λ0和頻率調(diào)制周期Λf以及由頻率調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的頻率變化曲線是如此確定的，以至于轉(zhuǎn)換效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ0±2π(2i+1)/Λf(i＝0，1，…，n，其中n為正整數(shù))時達到最大值，所述相位失配量Δβ由以下公式給出Δβ=2π·(n3λ3-n2λ2-n1λ1)]]>其中，n1、n2和n3是非線性光學(xué)介質(zhì)針對與在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中的波長轉(zhuǎn)換有關(guān)的三個波長(λ1、λ2、λ3)的折射率。
6.一種波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括泵浦源，它能夠改變其振蕩波長或者能夠在多個振蕩波長之間切換；以及由權(quán)利要求5定義的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠通過外部提供的輸入信號光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中生成差頻光；以及通過選擇具有可使所述差頻光的生成效率達到最大的相位失配量的泵浦光的波長來轉(zhuǎn)換所述差頻光的波長值。
7.如權(quán)利要求1所述的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述基本周期Λ0和頻率調(diào)制周期Λf以及由頻率調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的頻率變化曲線是如此確定的，以至于轉(zhuǎn)換效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ0+2πi/Λf(i＝m，m+1，…，n，其中m和n為正整數(shù)或負整數(shù)，且滿足|m|≠|(zhì)n|)時達到最大值，所述相位失配量Δβ由下列公式給出Δβ=2π·(n3λ3-n2λ2-n1λ1)]]>其中，n1、n2和n3是非線性光學(xué)介質(zhì)針對與在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中的波長轉(zhuǎn)換有關(guān)的三個波長(λ1、λ2、λ3)的折射率。
8.一種波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括泵浦源，它能夠改變其振蕩波長或者能夠在多個振蕩波長之間切換；以及由權(quán)利要求7定義的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠通過外部提供的輸入信號光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中生成差頻光；以及通過選擇具有可使所述差頻光的生成效率達到最大的相位失配量的泵浦光的波長來轉(zhuǎn)換所述差頻光的波長值。
9.一種波長轉(zhuǎn)換器，包括具有由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)介質(zhì)，所述由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)由調(diào)制單元結(jié)構(gòu)和相位調(diào)制結(jié)構(gòu)組成，所述調(diào)制單元結(jié)構(gòu)具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中非線性光學(xué)系數(shù)以近似等于基本周期Λ0的周期受到周期性的調(diào)制，并且調(diào)制相位近乎連續(xù)地變化，所述相位調(diào)制結(jié)構(gòu)具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中所述調(diào)制單元結(jié)構(gòu)的相位變化被以長于所述基本周期Λ0的相位調(diào)制周期Λph重復(fù)；以及用于將光發(fā)射到非線性光學(xué)介質(zhì)上的裝置，所述光具有三個波長值λ1、λ2、λ3之中的一個或兩個波長值，包括λ1＝λ2的情況在內(nèi)，所述三個波長值λ1、λ2、λ3滿足下述公式，1λ3=1λ1+1λ2]]>其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換器利用在非線性光學(xué)介質(zhì)中發(fā)生的二次非線性光學(xué)效應(yīng)，將輸入光轉(zhuǎn)換成輸出光，所述輸出光的波長值等于所述三個波長值中的一個，并且與入射光的至少一個波長值不同。
10.一種波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括泵浦源，它能夠改變其振蕩波長或者能夠在多個振蕩波長之間切換；以及由權(quán)利要求9定義的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠通過外部提供的輸入信號光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中生成差頻光；以及通過選擇具有可使所述差頻光的生成效率達到最大的相位失配量的泵浦光的波長來轉(zhuǎn)換所述差頻光的波長值。
11.如權(quán)利要求9所述的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述基本周期Λ0和相位調(diào)制周期Λph以及由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的相位變化曲線是如此確定的，以至于轉(zhuǎn)換效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ0±2πi/Λph(i＝0，1，…，n，其中n為正整數(shù))時達到最大值，所述相位失配量Δβ由以下公式給出Δβ=2π·(n3λ3-n2λ2-n1λ1)]]>其中，n1、n2和n3是非線性光學(xué)介質(zhì)針對與在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中的波長轉(zhuǎn)換有關(guān)的三個波長(λ1、λ2、λ3)的折射率。
12.一種波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括泵浦源，它能夠改變其振蕩波長或者能夠在多個振蕩波長之間切換；以及由權(quán)利要求11定義的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠通過外部提供的輸入信號光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中生成差頻光；以及通過選擇具有可使所述差頻光的生成效率達到最大的相位失配量的泵浦光的波長來轉(zhuǎn)換所述差頻光的波長值。
13.如權(quán)利要求9所述的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述基本周期Λ0和所述相位調(diào)制周期Λph以及由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的相位變化曲線是如此確定的，以至于轉(zhuǎn)換效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ0±2π(2i+1)/Λph(i＝0，1，…，n，其中n為正整數(shù))時達到最大值，所述相位失配量Δβ由以下公式給出Δβ=2π·(n3λ3-n2λ2-n1λ1)]]>其中，n1、n2和n3是非線性光學(xué)介質(zhì)針對與在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中的波長轉(zhuǎn)換有關(guān)的三個波長(λ1、λ2、λ3)的折射率。
14.一種波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括泵浦源，它能夠改變其振蕩波長或者能夠在多個振蕩波長之間切換；以及由權(quán)利要求13定義的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠通過外部提供的輸入信號光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中生成差頻光；以及通過選擇具有可使所述差頻光的生成效率達到最大的相位失配量的泵浦光的波長來轉(zhuǎn)換所述差頻光的波長值。
15.如權(quán)利要求9所述的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述基本周期Λ0和相位調(diào)制周期Λph以及由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)的相位變化曲線是如此確定的，以至于轉(zhuǎn)換效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ0+2πi/Λph(i＝m，m+1，…，n，其中m和n為正整數(shù)或負整數(shù)，且滿足|m|≠|(zhì)n|)時達到最大值，所述相位失配量Δβ由以下公式給出Δβ=2π·(n3λ3-n2λ2-n1λ1)]]>其中，n1、n2和n3是非線性光學(xué)介質(zhì)針對與在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中的波長轉(zhuǎn)換有關(guān)的三個波長(λ1、λ2、λ3)的折射率。
16.一種波長轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括泵浦源，它能夠改變其振蕩波長或者能夠在多個振蕩波長之間切換；以及由權(quán)利要求15定義的波長轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述波長轉(zhuǎn)換器被配置成能夠通過外部提供的輸入信號光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非線性光學(xué)介質(zhì)中生成差頻光；以及通過選擇具有可使所述差頻光的生成效率達到最大的相位失配量的泵浦光的波長來轉(zhuǎn)換所述差頻光的波長值。
全文摘要
一種波長轉(zhuǎn)換器具有由相位調(diào)制的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)，其中，非線性光學(xué)系數(shù)以基本周期Λ
文檔編號G02F1/35GK1469181SQ0314258
公開日2004年1月21日 申請日期2003年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月14日
發(fā)明者遊部雅生, 忠永修, 宮澤弘, 西田好毅, 鈴木博之, 之, 毅, 部雅生 申請人:日本電信電話株式會社