CN101517474B - 基于超材料的非线性光学装置 - Google Patents

Abstract

一种包括一个或多个光耦合器，光学介质和光泵源的仪器。该光学介质在一频带范围内表现为负折射率材料。所述一个或多个光耦合器被配置为提供到该光学介质的第一和第二光输入和提供来自该光学介质的光输出。该光泵源通过所述一个或多个光学耦合器中的一个来耦合以传递泵浦光到该光学介质。

Description

基于超材料的非线性光学装置

技术领域

本发明涉及光学器件和光数据通信。

背景技术

本节将从多个方面介绍可能有助于促进更好地理解本发明的内容。因此，本节内容应以这种观点来读，而且不应被理解为承认什么是现有技术或什么不是现有技术。

在光数据通信领域，非线性光学效应既是有益好处的来源同时又会产生不利的影响。就它们的有益好处来说，非线性光学效应能够例如实现光数据流的波长转换。在一些波分复用(WDM)网络中，波长转换可能被用来更有效地使用可用带宽。就它们的不利影响来说，非线性光学效应可使光数据信号失真。在超长运输的光传输线路中，这种不期望的光数据信号的失真会限制该光传输线路所能到达的最大值。

最近，提出了一种在光纤通信波长处折射率为负的人造光学介质的设计。该设计可以提供一种当波长在大约1.3微米(μm)和大约1.6μm之间时折射率为负的光学介质。通过这种人造光学介质，使得制造具有有益的折射和/或衍射性质的光学装置成为可能。

在此，在某些波长范围具有负折射率的介质被称为超材料(metamaterial)。

发明内容

发明人已经认识到某些超材料具有可以以有益方式被利用的非线性光学特性。在多种实施例中，超材料的非线性光学特性被利用来更好地处理光。

本发明的第一方面，一种仪器包括光学介质，一个或多个光耦合器，和光泵浦(pump)源。该光学介质在一频率范围内表现为负折射率材料。所述一个或多个光学耦合器被配置为提供到该光学介质的第一光输入和第二光输入，和提供来自该光学介质的光输出。该光泵浦源通过所述一个或多个光学耦合器中的一个光学耦合器来耦合以传递泵浦光到该光学介质。

本发明的第二方面，一种方法包括：以一载波频率通过光纤传输线路的多个光纤跨距(multiple optical fiber spans)发射光数据信号流，将发射的光数据信号发送到光学介质中，同时对该光学介质进行光泵浦。该光学介质具有三阶非线性电磁化系数，对于某些频率参数的设置该电磁化系数为负。该光学介质在一波长范围内具有负折射率。

本发明的第三方面，一种方法包括：以一预选择频率发射光至光学介质，泵浦该光学介质，同时执行发射以在该光学介质中对部分发射的光进行波长转换。该光学介质在一波长范围内具有负折射率。

附图说明

图1A-1D的框图示出了光波长转换器的可替换实施例；

图2为流程图，示出了校准光波长转换器例如图1A-1D的光波长转换器的方法；

图3示出了在作为例子的光学介质中波数和频率之间的色散关系，此光学介质在某个频率范围表现为超材料；

图4A-4E绘出了输入光与泵浦光的频率之间的关系，该关系满足图3的该光学介质中一般的能量和动量守恒关系；

图5为一流程图，示出了例如在图1A-1D的光波长转换器中执行波长转换的方法；

图6A和6B的框图示出了装置的实施例，所述装置能部分校正累积色散和/或部分校正累积信号失真，这些色散和失真是在传输光数据信号流的过程中由非线性光学效应导致的；

图7的框图示出了光纤传输线路和内嵌装置，所述装置能部分校正累积色散和/或部分校正累积信号失真，这些色散和失真是在光纤传输线路中由非线性光学效应导致的；

图8的流程图示出了一种方法，所述方法能部分校正光信号的累积色散和/或部分校正光信号的累积失真，这些色散和失真是在通过光纤传输线路传输数据流的过程中由非线性光学效应导致的；

图9为能在红外或可见波长处表现为超材料的人造光学介质的斜视图；

图10为图9的人造光学介质的一层的斜视图；

在这些图和文字中，相像的关联数字指示相似功能的元件。

在这些图中，一些特征的有关尺寸可能被放大以便清楚地示出要被阐明的一个或多个结构。

在此，各种实施例通过图和具体实施例被描述的更全面。然而，本发明可以以多种方式实施，不限制于图和具体实施例所描述的实施例。

具体实施方式

1.光波长转换

考虑到利用超材料的非线性光学特性，一些实施例提供了基于超材料的光波长转换器。光波长转换器10A-10D的各种几何图形在图1A-1D中示出。光波长转换器10A-10D在他们的光转换介质12中在输入光、泵浦光和/或已被波长转换的光的相关方向方面有差异。

参照图1A-1D，光波长转换器10A-10D包括光学转换介质或波导12，光泵浦源14，一个或多个普通光波导16，2×1或3×1光耦合器18，和可选的滤光器20。

光学转换介质或波导12对于在要被波长转换的光、泵浦光和已波长转换的光中的一个或多个光的一频率处的光来说是超材料。该光学转换介质或光波导12具有用以接收要进行波长转换的光的光输入(OI)和用以发送已经波长转换的光的光输出(00)。该光学转换介质或波导12可在光波导中，例如，可以是例如按照平面光波导的几何特征的这种光学转换波导的光学芯部和/或光学包层(cladding)。可替换地，该光学转换介质或波导12可以只是具有用来输入泵浦光的准直光束和需要波长转换的光的一个或多个端口以及具有用来输出已经波长转换的光束的端口的光学介质。在这种光学介质中各种光束在共线或者反共线地传播。

光学波长转换器10A和10D在该光学转换介质12或光学转换波导12的相对端或靠近该相对端处具有他们的光学输入端和光学输出端。在光学波长转换器10A中，输入光、泵浦光和已波长转换的光在该光学转换介质12或光学转换波导12中共同传播。在光学波长转换器10D中，输入光和已波长转换的光在该光学转换介质12或光学转换波导12中共同传播，泵浦光相对于输入光和泵浦光在该光学转换介质12或光学转换波导12中相反地传播。

光学波长转换器10B和10C在该光学转换介质12或光学转换波导12的相同端或靠近该相同端处具有他们的光学输入端和光学输出端。在光学波长转换器10B中，输入光和泵浦光在该光学转换介质12或光学转换波导12中共同传播，已波长转换的光相对于输入光和泵浦光在该光学转换介质12或光学转换波导12中相反地传播。在光学波长转换器10C中，泵浦光和已波长转换的光在该光学转换介质12或光学转换波导12中共同传播，输入光相对于已波长转换的光和泵浦光在该光学转换介质12或光学转换波导12中相反地传播。

光泵浦源14产生泵浦光，用来使接收到的输入光通过非线性光学过程在该光学转换介质12或光学转换波导12中进行波长转换。典型的光泵浦源14可以包括在红外和可见光波长范围内可调的多个激光器。

在波长转换器10A-10B中，该2×1和3×1光耦合器18具有用做要波长转换的光的光学输入端的光学端口以及具有用做泵浦光的光学输入端的另一光学端口。光波导16例如硅玻璃光纤和/或平面光波导传递泵浦光至该2×1或3×1光耦合器18。该2×1和3×1光耦合器18也传递所接收的输入光和泵浦光至第三光学端口。该第三光学端口连接至该光学转换介质12或光学转换波导12的光学输入端。典型的2×1或3×1光耦合器18可以由平面集成器件或光纤器件通过本领域公所周知的技术方法来制造。

在波长转换器10A中，普通的光波导16用做光耦合器，其光输出端连接至滤光器20以及其光输入端接收从该光学转换介质12或光学转换波导12的光输出端输出的光。这里，滤光器20主要用来削弱具有泵浦波长和/或输入波长的光和传输具有已转换波长的光，以便光波长转换器10A基本上只输出具有已转换波长的光。在此实施例中，典型的2

×1光耦合器18可以由平面集成器件或光纤器件通过本领域公所周知的技术方法来制造。

在波长转换器10B中，光学转换介质12或光学转换波导12传输已波长转换的光至3×1光耦合器18。然后该已波长转换的光中的一些在第四端口29输出，也就是在3×1光耦合器18的光学输出端输出。在此实施例中，典型的3×1光连接器18可以通过平面集成器件或光纤器件通过本领域公所周知的技术方法来制造。

在波长转换器10C中，2×1光耦合器18具有用以接收用来波长转换的输入光的第一光学端口，以及具有用以将部分或全部已接收的输入光传输至连接至第二光学端口的光学转换介质12或光学转换波导12的第二光学输入端。2×1光耦合器18的第二光学端口也接收来自光学转换介质12或光学转换波导12的已波长转换的光和泵浦光，并输出部分或全部所述已接收的光至连接到滤光器20的普通光波导16。这里，滤光器20主要用来削弱具有泵浦波长的光，而基本上只传输具有所转换的波长的光，以便光波长转换器10C基本上只输出具有所转换的波长的光。光波导16可以是硅玻璃光纤和/或硅玻璃、平面、光波导。在此实施例中，典型的2×1光耦合器18可以由平面集成器件、光纤器件、或者光循环器通过本领域众所周知的技术方法制造。

在波长转换器10D中，2×1光耦合器18具有第一光学端口，该第一光学端口接收来自光学转换介质12或光学转换波导12的输入光和已波长转换的光的，并输出全部或部分所述已接收的光至第二光学端口。该第二光学端口通过普通光波导16连接至滤光器20。这里，滤光器20主要用来削弱具有输入波长的光，而传输具有所转换的波长的光，以便光波长转换器10D基本上只输出具有所转换的波长的光。该2×1光耦合器也包括第三光学端口，该第三光学端口通过硅玻璃、平面或光纤波导16接收来自泵浦源14的光，并输入全部或部分已接收的泵浦光至光学转换介质12或光学转换波导12。在此实施例中，典型的2×1光耦合器18可以由平面集成器件、光纤器件、或光学循环器通过本领域众所周知的技术方法来制造。

在包括可选滤光器20的实施例中，滤光器20主要用来削弱具有泵浦波长和/或输入波长的光，以便波长转换器10A、10C、10D基本上只输出具有所转换的波长的光。典型的滤光器20可以包括带通、低通、或高通滤光器，其结构对本领域技术人员来说很容易理解。

在光波长转换器10A-10D中，光学转换介质12或光学转换波导12通过涉及三光子的非线性光学过程产生波长转换。尤其地，该波长转换由于充分满足一般动量和能量守恒关系的过程导致：

k₃＝k₁+k₂和ω₃(k₃)＝ω₁(k₁)+ω₂(k₂).   (1)

这里，k₁、k₂和k₃在光学转换介质12或光学转换波导12中分别为输入光、泵浦光和已波长转换的光的动量。同样地，ω₁(k₁)、ω₂(k₂)和ω₃(k₃)在光学转换介质或光学转换波导12中分别为输入光、泵浦光和已波长转换的光的频率。(1)中的一般能量和动量守恒关系提供了理想的相位匹配，即，在光学转换介质或光学转换波导12中输入光、泵浦光和已波长转换的光的动量的相位匹配。

在许多光学介质中，光的动量不能严格与频率成比例。由于这个原因，(1)中的两个守恒关系常常不能在这样的光学介质中被同时满足。就算是在(1)中的一般动量守恒关系不能被满足的情况下，波长转换依然可通过输入光、泵浦光和已波长转换的光的动量的准相位匹配关系获得。在基于准相位匹配的波长转换中，光学介质沿着其中的光的传播方向被有规律地调制。

相反地，光学转换介质或光学转换波导12对于相互作用的光的波长是沿着传播方向的典型的基本均匀(substantially homogeneous)的介质，从而(1)中的理想的或一般的动量和能量守恒关系在该介质中被满足。在光学转换介质或光学转换波导12中的波长转换过程典型地能支持(1)中的守恒关系，部分因为光学转换介质12在输入频率、泵浦频率和已波长转换的频率中的一个或者多个处为超材料，即在频率ω₁(k₁)、ω₂(k₂)和ω₃(k₃)中的一个或多个处。而且，频率ω₁(k₁)、ω₂(k₂)和ω₃(k₃)被选择为使得该光学转换介质或光学转换波导12适当地容许如下讨论的(1)中一般守恒关系式的解。

在波长转换器10A和10B中，光学转换介质12或光学转换波导12的光学介质被选择为对输入动量、泵浦动量和已波长转换的动量k₁、k₂和k₃的不同相对方向都满足(1)中的一般能量和动量守恒关系。在各种实施例中，k₁、k₂和k₃在光学转换介质12或光学转换波导12中为共线或反共线的。

图2示出了用来校准光波长转换器如图1A-1D中的光波长转换器10A-10D的方法30。尤其地，方法30确定了一个或多个输入频率-泵浦频率对，以便针对这些频率对光学转换介质如光学转换介质或光学转换波导12能够共线或者反共线的产生波长转换光，同时满足(1)中的一般能量和动量守恒关系。

方法30包括测量光学转换介质在适当的频率范围内的电/磁响应，例如，图1A-1D的光学转换介质或光学转换波导12的响应(步骤32)。该光学转换介质沿着其中光传播的方向是均匀的(homogeneous)。适当的频率范围包括电容率(permittivity)ε(ω)和磁导率n(ω)的共振频率。例如，测量这些响应会牵涉分别测量电容率ε(ω)和磁导率n(ω)的共振频率ω_o和Ω以及实际特征频率ω_a和ω_b。在共振频率附近，电容率ε(ω)和磁导率n(ω)可近似描述成：

$\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ϵ}}_o\frac{({\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_a}^2)}{({\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_o}^2)}$ 和 $\mathrm{\μ}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\μ}}_o\frac{({\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_b}^2)}{({\mathrm{\ω}}^2-W^2)}.$ (2)

测量光学介质的这些共振和特征频率的技术为本领域众所周知的技术。

方法30包括通过测得的光学转换介质的电/磁响应确定均匀的光学转换介质的折射率n(ω)(步骤33)。尤其地，确定步骤33求出在适当频率范围上的折射率n(ω)。此频率范围包括第一子范围，光学转换介质在该第一子范围中表现为负折射率光学介质，即超材料，以及包括第二子范围，光学转换介质在该第二子范围中表现为如下讨论的正折射率光学介质。在折射率为负的子范围中，ε(ω)和μ(ω)同时为负。在折射率为正的子范围中，ε(ω)和μ(ω)同时为正。在全部子范围中，电容率ε(ω)和磁导率μ(ω)能由关系式(2)来近似描述。然后，在全部子范围中，介质的折射率n(ω)能从此关系式求出：

$n\left(\mathrm{\ω}\right)=\±\sqrt{\frac{\left|({\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_a}^2)({\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_b}^2)\right|}{\left|({\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_o}^2)({\mathrm{\ω}}^2-W^2)\right|}}.---\left(3\right)$

在其他的频率范围，光学转换介质的折射率μ(ω)可以例如是虚构的，以便所述频率范围的光在该光学转换介质中被吸收。

方法30包括求解一般动量和能量守恒关系，例如，(1)中的关系式，来找到一对或者多对能够共线或反共线地在光学转换介质中导致波长转换的输入频率和泵浦频率(步骤34)。该求解步骤基于在步骤33确定的折射率μ(ω)的形式。对于折射率μ(ω)满足等式(3)的介质，(1)中的一般能量和动量守恒关系变为：

ω₃(k₁+k₂)＝ω₁(k₁)+ω₂(k₂)      (4)

以及

$k_j\left({\mathrm{\ω}}_j\right)=\±\frac{{\mathrm{\ω}}_j}{c}\sqrt{\frac{\left|({{\mathrm{\ω}}_j}^2-{{\mathrm{\ω}}_a}^2)({{\mathrm{\ω}}_j}^2-{{\mathrm{\ω}}_b}^2)\right|}{\left|({{\mathrm{\ω}}_j}^2-{{\mathrm{\ω}}_o}^2)({{\mathrm{\ω}}_j}^2-W^2)\right|}}.---\left(5\right)$

这里，“c”为光速；ω_j为ω₁、ω₂或ω₃；k_j为k₁、k₂或k₃。在此解中，动量k₁、k₂和k₃为共线或者反共线的，且每个波数“k_j”被定义为相关动量矢量k_j沿着动量k₁、k₂或者k₃方向的幅度。从测得的ω_a、ω_b、ω_o和Ω的值，(4)和(5)中的关系式能容易的用图绘和/或数值来解出，以在光学转换介质中找到输入波数和泵浦波数对，例如，(k₁，k₁)对，和关联的输入频率和泵浦频率对，例如(ω₁，ω₂)对。

步骤34中找到的该一个或多个输入频率和泵浦频率对是校准光学波长转换器时用到的光操作频率对，该光学波长转换器例如是图1A-1D中的光学波长转换器10A-10D。在此解中，共线动量k₁、k₂和k₃的相对方向决定光学波长转换器的几何构成(geometry)。这里，该几何构成由在光学转换介质例如图1A-1D中的光学转换介质或波导12中的输入光、泵浦光和已波长转换的光的相对方向来决定。

发明人数值地求解了(4)和(5)中的一般能量和动量守恒关系式，用以解释特征频率和共振频率的设置，即ω_a、ω_b、ω_o和Ω，其中ω_a>ω_b>ω_o>Ω。对于所解释的设置，输入光、泵浦光和已波长转换的光的波数k(ω)沿图3所示的色散关系的较高分支，较低分支，或负分支来排列。在此色散关系中，较高和较低分支对应正折射率区域，而负分支对应负折射率的区域，例如，超材料分支。

图4A-4E绘出了频率对，例如，(ω₂，ω₂)对，用于针对光波长转换器的各种不同的几何构成求解(4)和(5)中的一般能量和动量守恒关系。各种解对应于示例性的在ω_a＝1.0、ω_b＝0.9、ω_o＝0.4和Ω＝0.3时的光学转换介质。

图4A绘出了输入和泵浦频率对，针对已波长转换的光以及输入光和泵浦光中的一个在图3的较高分支中时的解。输入光和泵浦光中的另一个在图3中的负或超材料分支上。在这些解中，输入光和泵浦光共同传播，且已波长转换的光相对于输入和泵浦光相反地传播，例如，在图1B中的波长转换器10B中的情形。

图4B描绘的解对应输入光和泵浦光在图3中的较低分支上，且已波长转换的光在图3中的负或超材料分支上的情形。在这些解中，输入光和泵浦光共同传播，且已波长转换的光相对于输入和泵浦光相反地传播，例如，在图1B中的波长转换器10B中的情形。

图4C描绘的解对应输入光和泵浦光在图3中的负分支，即超材料分支上，且已波长转换的光在图3中的较高分支上的情形。在这些解中，输入光和泵浦光共同传播，且已波长转换的光相对于输入和泵浦光相反地传播，例如，在图1B中的波长转换器10B中的情形。

图4D描绘的k₃ ^(b)和k₃ ^(f)的解对应输入光和泵浦光中的一个在图3中的较低分支上，且输入光和泵浦光中的另一个在图3中的负或超材料分支上的情形。已波长转换的光在图3中的较高分支上。在k₃ ^(b)和k₃ ^(f)的解中，输入光和泵浦光共同传播。在k₃ ^(b)的解中，其显示为实心数据圆圈，已波长转换的光相对于输入光和泵浦光相反地传播，例如在图1B的波长转换器10B中的那样。在k₃ ^(f)的解中，其显示为空的数据圆圈，已波长转换的光与输入光和泵浦光共同传播，例如在图1A中波长转换器10A中那样。

图4E描绘的k₃ ^(b)和k₃ ^(f)的解对应已波长转换的光以及输入光和泵浦光中的一个在图3中的负或超材料分支上，且输入光和泵浦光中的另一个在图3中的较低分支上的情形。在k₃ ^(b)和k₃ ^(f)的解中，输入光和泵浦光共同传播。在k₃ ^(b)的解中，其显示为实心数据圆圈，已波长转换的光相对于其他光相反地传播，例如在图1B的波长转换器10B中的那样。在k₃ ^(f)的解中，其显示为空的数据圆圈，已波长转换的光与其他光共同传播，例如在图1A中波长转换器10A中那样。

图5阐明了一种方法35用于在基本上均匀的光学转换介质如图1A、1B、1C和1D中的光波长转换器10A-10D的一些实施例的光学转换介质或波导12中对具有选定频率的光进行波长转换。光学转换介质可位于例如图1A、1B、1C和1D的光波长转换器10A-10D的其他实施例的光转换波导12的光学芯部和/或光学包层中。

方法35包括以该选定频率传输输入光至光学转换介质，例如图1A-1D中的光学转换介质12(步骤37)。该光学转换介质可位于光波导中，例如该光波导的光学芯部和/或光学包层，就像在图1A-1D的光学转换波导12中。

方法35包括泵浦光转换介质，同时向该光学转换介质传输输入光，使得该光学转换介质对部分已接收的输入光进行波长转换(步骤38)。在步骤38中，波长转换通过在光学转换介质中的输入光、泵浦光和已波长转换的光之间保持一般能量和动量守恒关系的非线性光学过程来执行。此过程牵涉到，例如在光学转换介质中的光学三波混合。此过程还包括，例如在光学转换介质中的输入光、泵浦光和已波长转换的光的动量之间保持理想(perfect)的相位匹配条件。也就是，在光学转换介质内，输入光、泵浦光和已波长转换的光的频率和动量满足例如(1)中的关系式，或者输入光和泵浦光的频率和动量满足例如(4)和(5)中的关系式。此非线性过程保持一般能量和动量守恒关系，部分因为此光学介质在输入光、泵浦光和/或已波长转换的输出的频率时表现为超材料。

方法35可进一步包括对传输和泵浦期间从光学转换介质接收的光进行光学滤波(步骤39)。执行光学滤波是为了移除具有输入频率和/或泵浦频率的光，以便基本上只输出具有已波长转换的频率的光。

2.校正由于非线性光学效应产生的失真(distortions)

关于利用超材料的非线性光学特性，一些其他的实施例能部分地校正由非线性光学效应导致的光数据流的累积色散和/或累积失真。这些实施例同样依赖于光学介质在适当频率范围内表现为超材料的这一事实。

图6A和6B示出了内嵌装置40A和40B，其能部分地校正数据流的光信号的色散和/或部分地校正该光信号的失真，这些色散和失真是由非线性光学效应导致的。色散和失真会累积，例如当光信号在光纤传输线路中通过一系列跨距时。

装置40A和40B包括光学校正介质或波导42，和第一光学泵浦源44，以及可以包括第二光学泵浦源46、3×1或4×1光耦合器48、滤光器50、一个或多个光波导52、和光学波长转换器54。

所述3×1和4×1光耦合器48被配置为在第一端口接收光信号的输入数据流，并被连接为在其第二和第三端口从第一和第二光泵浦源44、46接收泵浦光。所述3×1或4×1光耦合器48被配置为将全部或部分在第一、第二和第三端口接收的光传送至第四端口，该第四端口被连接至光学校正波导42。典型的3×1或4×1光耦合器48可由集成平面光器件或光纤器件通过本领域众所周知的微电子和集成光结构技术来制造。

装置40B的4×1光耦合器48同样被配置为将在第四端口，即从光学校正介质42或光学校正波导42，接收的光输出至第五端口。该第五端口输出色散和/或失真已被部分校正的光信号的数据流，并能通过示出的光学波导52连接至可选的光学波长转换器54。

该光学校正介质或波导42在其光输入端通过一个或多个光耦合器接收光数据信号的数据流和泵浦光，并在其光输出端通过光耦合器输出该光数据信号的已校正的数据流。尤其地，光学校正介质42或光学校正波导42既能调节接收到的光信号累积色散也能部分地校正接收到的光数据信号的累积失真，该累计色散和累积失真由非线性光学效应产生。这种调节和校正的大小是由在非线性光学校正介质或波导42中的泵浦光和光数据信号光的强度以及在非线性光学校正介质或波导42中的路径长度来控制的。

所述第一和第二光泵浦源44、46产生具有选定频率ω₂和ω₃的泵浦光。该频率ω₂和ω₃是为了致使光学校正介质或波导42在载波频率为ω₁的光数据流上部分地校正累积色散或非线性效应而选定的。该第一和第二光泵浦源44、46可以是例如波长可在可见光或者近红外光波长处调节的激光器。

在装置40A中，可选的滤光器50被配置为滤除具有第一和第二泵浦频率的光，且还能滤除当ω₁≠ω₄时具有输入频率的光。从而，滤光器50仅仅基本上通过从光学校正介质42或光学校正波导42输出的具有已校正数据流的波长的光。该滤光器50可以是传统的带通、低通、或高通滤波器。

可选光波长转换器54对光信号的已校正的数据流进行波长转换。例如，光波长转换器54能被配置为对已校正的数据流的光进行波长转换，使其频率回到从装置40A和40B原始接收到的数据流的输入频率ω₁。光波长转换器可包括图1A-1D中的波长转换器10A-10D中的一个，或可包括传统的光波长转换器。典型的传统光波长转换器包括半导体光放大器；周期性极化的铌酸锂光波导；或偏振极化合成半导体光波导。

在装置40A-40B中，光学校正介质42或光学校正波导42的非线性光学介质对于频率参数的相关设置具有负的三阶非线性电磁化率χ⁽³⁾。例如，在非线性光学介质中当ω₁为输入光频率、ω₂和ω₃为泵浦光的频率、ω₄为已校正的光数据流的光的频率时χ⁽³⁾(ω₄，ω₁，ω₂，ω₃)可以是负的。非线性光学介质在ω₁、ω₂、ω₃和ω₄中的一个或多个频率时也为超材料。

如果非线性光学介质具有中心对称的晶格对称性，在电容率ε(ω)的共振频率ω_o附近处，三阶非线性电磁化率χ⁽³⁾(ω₄，ω₁，ω₂，ω₃)可近似表述为：

χ⁽³⁾(ω₄，ω₁，ω₂，ω₃)＝G/[D(ω₁)D(ω₂)D(ω₃)D(ω₄)]，其中D(ω)＝(ω₀)²-(ω)².(6)

这里，“G”是正常数，其值依赖非线性光学介质的非线性响应特性。然后，对于输入光的适当的波数和频率，即k(ω₁)和ω₁，以及第一和第二泵浦光的适当的波数和频率，即k₂(ω₂)、k₃(ω₃)、ω₂和ω₃，非线性光学介质能够产生具有频率ω₄以及波数k₄(ω₄)的光以满足一般能量和动量守恒关系式：

ω₄＝±ω₁±ω₂±ω₃和k₄(ω₄)＝±k₁(ω₁)±k₂(ω₂)±k₃(ω₃).        (7a)

这里，“+”号和“-”号的选择决定了在光学介质中的各种类型的光相对的传播方向，这是本领域众所周知的。根据惯例，ω₄应被选为正值。这里，每个类型的光的波数被定义为：

$k_j\left({\mathrm{\ω}}_j\right)=\±\frac{{\mathrm{\ω}}_j}{c}\sqrt{\frac{\left|({{\mathrm{\ω}}_j}^2-{{\mathrm{\ω}}_a}^2)({{\mathrm{\ω}}_j}^2-{{\mathrm{\ω}}_b}^2)\right|}{\left|({{\mathrm{\ω}}_j}^2-{{\mathrm{\ω}}_o}^2)({{\mathrm{\ω}}_j}^2-W^2)\right|}}---\left(7b\right)$

这里j为1、2、3或4。特别地，在光学校正介质或波导42的非线性光学介质中，(7a)-(7b)的一般能量和动量守恒关系式的解对应于频率设置{ω₄，ω₁，ω₂，ω₃}中的一组或多组频率而存在，对应的χ⁽³⁾(ω₄，ω₁，ω₂，ω₃)为负。所述解还强制实施了动量k₄(ω₄)、k₁(ω₁)、k₂(ω₂)和k₃(ω₃)之间的理想(perfect)匹配关系。

作为一个例证，一般能量和动量守恒关系式(7a)-(7b)具有一典型的解，其中对于电/磁响应特性ω_o、ω_a、ω_b和Ω的值被定义为满足ω₀＝0.4ω_a、ω_b＝0.9ω_a、Ω＝0.3ω_a时χ⁽³⁾为负。关于响应特性的此示例性的设置，给出(7a)-(7b)的一般能量和动量守恒关系式的这样的一个解：(ω₁，k₁)＝(0.10ω_a，0.83ω_a)，(ω₂，k₂)＝(0.15ω_a，1.37ω_a)，(ω₃，k₃)＝(0.20ω_a，2.22ω_a)，(ω₄，k₄)＝(0.45ω_a，4.42ω_a)。对于该示例的解，这样的非线性光学介质对于输入频率ω₁和泵浦频率例如ω₂和ω₃的光会表现为一般的折射介质，而对于已校正数据流的频率ω₄的光会表现为超材料。关于此示例的解，已校正的数据流会相对于光学校正介质42或光学校正波导42(即图6B中所示)中的输入光和泵浦光在相反的方向传播。

对于频率参数{ω₄，ω₁，ω₂，ω₃}的其他组值，另一非线性光学介质可能具有负的χ⁽³⁾(ω₄，ω₁，ω₂，ω₃)且在所述频率参数中的一个处也表现为超材料。于是，这样的非线性光学介质也能够在组合到图6A或6B的光学校正介质或波导42后产生校正的数据流。

图6A或6B的装置40A、40B的可代替的实施例能校正光数据信号中由于非线性光学效应产生的累积色散和/或累积失真，且无需设置第二光泵浦源46。这些可代替的实施例能利用例如退化的四波混频过程(degenerate 4-wave mixing process)其中ω₂＝ω₃。于是，一个光泵浦源44就能在泵浦频率ω₂处为该非线性光学过程产生全部的泵浦光，以在光学校正介质42或光学校正波导42中校正光数据信号的累积色散和/或累积失真。

图6A或6B的装置40A、40B的可代替的实施例能实现部分校正光信号在传播中由于非线性光学效应导致的累积色散和/或累积失真。此可代替的实施例包括泵浦光源44、46和光学校正介质或波导42，以及可选的包括3×1或4×1光耦合器48、滤光器50、一个或多个光波导52和/或光波长转换器54。在此可代替实施例中，光学校正介质或波导42的非线性光学介质具有非中心对称的晶格对称性。在此可代替实施例中，对非线性光学介质进行光泵浦能从输入光数据流信号流中产生对应的光数据信号流，此对应的光数据信号流已针对由于传输中的非线性效应导致的累积色散和/或累积信号失真得到至少部分校正。对于这样的非线性光学介质，在电容率ε(ω)的共振频率ω_o附近处，三阶非线性电磁化率χ⁽³⁾(ω₄，ω₁，ω₂，ω₃)可近似表述为：

$\left[\frac{G\′}{\left[D\left({\mathrm{\ω}}_1\right)D\left({\mathrm{\ω}}_2\right)D\left({\mathrm{\ω}}_3\right)D\left({\mathrm{\ω}}_4\right)\right]}\right][\frac{1}{D({\mathrm{\ω}}_1\±{\mathrm{\ω}}_2)}+\frac{1}{D({\mathrm{\ω}}_1\±{\mathrm{\ω}}_3)}+\frac{1}{D({\mathrm{\ω}}_2\±{\mathrm{\ω}}_3)}]---\left(8\right)$

这里，G’为常量，例如正常量。G’的值依赖于非线性光学介质的非线性响应特性。D(ω)的构成已经描述过。对于光数据信号的适当的载波频率即ω₁，泵浦光源44、46的适当的频率即ω₂和ω₃，以及多个泵浦光频率的适当的和/差或者输入频率和一个泵浦光频率的适当的和/差即(ω_i±ω_j)这里(i，j)为(1，2)，(2，3)，或(1，3)，这样的非线性光学介质能通过遵守一般能量和动量守恒关系式的过程来产生光。也就是，该光学校正介质能通过四波混频过程产生光，此过程遵守一般能量和动量守恒关系式：

ω₄＝±ω₁±ω₂±ω₃和k₄(ω₄)＝±k₁(ω₁)±k₂(ω₂)±k₃(ω₃)         (9)

这里，各种类型的光的波数由上述关系式(7b)进行定义，“j”为1，2，3或4。在具有非中心对称的晶格对称性的一个或多个非线性光学介质中，(9)的一般能量和动量守恒关系式的解可能也对应于频率参数{ω₄，ω₁，ω₂，ω₃}的一组或多组值存在，相应的χ⁽³⁾(ω₄，ω₁，ω₂，ω₃)为负值且介质在ω₁、ω₂、ω₃和ω₄中的一个频率处表现为超材料。于是，这样的非线性光学介质能被用于图6A或6B的装置40A、40B的光学介质42或用作光学校正波导42中。

在部分校正光信号由于非线性光学效应导致的累积色散和/或累积失真的可代替的装置中，图6A或6B的光学介质或波导42可能具有非中心对称的材料，当其两个参量退化时此材料的χ⁽³⁾值为负。于是，此两个泵浦频率可与χ⁽³⁾的退化的参量相等，即例如ω₂＝ω₃。除了只存在光泵浦源44、46中的一个以外，这样的可代替的装置可具有如图6A或6B所示的设计。

各种实施例包括能部分地校正光数据信号的累积色散和/或部分地校正光数据信号的累积失真的装置，这里的累积色散或失真是由光数据信号通过光纤传输线路的一部分传输所导致的。

图7图示了光纤通信系统60的一部分，该系统能主动校正在光数据信号传输中由非线性光学效应产生的失真。

光纤通信系统60包括光发射机62，光接收机64，和用于在光发射机62和光接收机64之间传输光数据信号的光纤传输线路66。该光发射机62、光接收机64、和光纤传输线路66可被配置为在近红外或可见光波长处，例如在约1.3μm和约1.7μm之间的标准电信通信范围内传送光数据信号的数据流。

光纤传输线路66包括一系列光纤跨距SP₁，SP₂，...，SP_k+1，...，SP_N和全光模块M₁，M₂，...，M_k，...，M_N-1，该全光模块用于连接光纤跨距SP₁-SP_N中相邻的光纤跨距。光纤跨距SP₁-SP_N可以是例如标准单模光纤的一部分，也就是具有传统电信通信波长的单模式。内嵌全光模块M₁-M_N-1可包括传统光放大器68，例如掺铒光纤放大器，和/或传统光色散补偿器70，例如一定长度的色散补偿光纤。从而，内嵌全光模块M₁-M_N-1既可管理沿着光纤传输线路66的光学跨距SP₁-SP_N传输的光数据信号的光能量水平，也可管理该光数据信号的累积色散。

内嵌全光模块M₁-M_N-1中的一个或多个也包括集中的内嵌器件72，该器件72能至少部分地校正由光纤传输线路66中的非线性光学效应导致的累积信号失真。举个例子，集中内嵌器件72可以是图6A或6B的装置40A或40B。确实，部分校正这种由非线性光学效应导致的累积失真可使光纤传输线路66能够比没有一个或多个内嵌器件72的形式所可能具有的具有更长的延伸(reach)。

图8阐明了方法80，其用来通过多跨距光纤通信系统例如图7的光纤通信系统60来发射光数据信号流。方法80包括执行主动校正光数据信号在通过光纤传输线路(例如图7的光纤通信系统60)的一部分传输时由非线性光学效应导致的失真。

方法80包括通过光纤传输线路的一系列光纤跨距发射光数据信号流(步骤82)。多个跨距是例如图7的光纤传输跨距SP₁-SP_N的毗邻子集。

方法80还包括将发射的光数据信号发送至光学校正介质，同时对该光学校正介质进行光学泵浦(步骤84)。对于所应用的光学泵浦，发送光数据信号使其通过光学校正介质的步骤产生校正的光数据信号。也就是，光学校正介质从每个输入光数据信号产生对应的校正的光数据信号。光学校正介质可以是例如图6A或6B的光学校正介质42或光学校正波导42。光学校正介质可具有三阶非线性电磁化率，对于与光数据信号的载波频率、泵浦光的一个或多个频率和已校正的光数据信号的载波频率相关的频率参数该三阶非线性电磁化率的值为负。光学校正介质在某些波长范围内表现为超材料，例如近红外或可见光波长范围。

发送步骤典型地产生具有与发射的光数据信号不同的载波频率的已校正的光数据信号流。由此，步骤80可以可选地包括对已校正的光数据信号进行波长转换(步骤86)。例如，波长转换步骤可产生具有与原始发射的光数据信号相同的载波频率的新的已校正光数据信号流。在波长转换之后，已校正的光数据信号可被传输至导致光数据信号失真的相同光纤传输线路的剩余部分。

3.示例性负折射率光学介质

Vladimir M.Shalaev等，Optics Letters，第30卷，第24期(2005)第3356-3358页(其中参见Shalaev论文)的“Negative index ofrefraction in optical metamaterials”描述了一种光学介质，其被指出对于在约1.3μm到约1.6μm之间的波长具有负折射率。在此，Shalaev论文整体上全部被引用。通过Shalaev论文的教导和本申请的上述教导，不必执行不适当的实验，本领域技术人员也能为图1A-1D的光学转换介质和波导12以及图6A和6B的光学校正介质和波导42制造非线性光学介质。

图9图示了光学介质90的示例性结构，其能在红外或可见光波长处表现为负折射率材料。这样的光学介质可形成例如图1A-1D的光学转换介质或波导12和/或图6A和6B的光学校正介质或波导42的光学芯部和/或光学包层。

光学介质90包括基本上相同的层92的堆栈(stack)。每层92都包括金属结构的规则的二维(2D)平面阵列96并可包括透明的平面介电层94。每个2D阵列能用作例如光学LC电路。在该层堆(stack)中，不同的层92被对齐以便使该介质具有周期性三维晶格对称性，即中心对称的晶格对称性或非中心对称的晶格对称性。该光学介质90在一波长范围内具有负折射率。此范围可包括红外或可见光波长，例如用于标准光纤通信的多个波长。

图10为光学介质90中的一层92的顶部斜视图。在每个层92中，示例的2D平面阵列96通过矩形单位晶格形成，其中每个单元晶格具有两个矩形的金属结构98，例如电容和电感结构。矩形金属结构98被定位在垂直取向的矩形单位晶格的两个对角关系的拐角处。2D平面阵列96的区域，其被定位在单位晶格的矩形金属结构98之间以及在单位晶格之间，可以是正折射率光学材料譬如硅氧化物例如SiO₂，或硅氮化物例如Si₃N₄。平面介电层94同样可由透明的正折射率光学材料来形成，譬如硅氧化物例如SiO₂，或硅氮化物例如Si₃N₄。

在示例的光学介质90中，2D单位晶格可以是厚的竖着(on-edge)的矩形，其长度可以是约1800纳米(nm)且其高度可以是约640nm。单位晶格(unit cell)包括两个相同的金属矩形结构98例如电容，定位在从单位晶格的端部(end)起约60nm处和从单位晶格的顶侧和底侧起约50nm处。每个金属矩形结构98沿着2D单位晶格的长度具有约780nm的长度且例如沿着层96的宽具有约220nm的高度。金属矩形结构可以通过他们的相邻端部之间约120nm的距离而被分隔开。

在示例的超材料中，透明平面介电层94可为硅氧化物或硅氮化物层且具有小于约1微米的厚度。介电层94也可省去。

对于该示例的超材料，传统的过程可以用于制造层堆92。金属矩形结构阵列98可由传统电子束过程或传统沉积/蚀刻过程形成。尤其地，此过程可以侧向的(lateral)夹心结构形成金属矩形结构98。此侧向的夹心结构具有例如钛(Ti)/金(Au)/Ti区域，宽度大约为50nm或以上的侧面毗邻的SiO₂或Si₃N₄区域，以及侧面毗邻的Ti/Au和可能Ti区域。在金属区域之间的硅氧化物或硅氮化物区域可由例如传统的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和传统的蚀刻过程制造。在一个或多个层92形成之后，可执行传统的化学机械抛光(CMP)以便使一个或多个层92的序列为平面且具有平坦表面。这种抛光可帮助保持随后的层92中的平面形态。

本领域技术人员能够在避免不适当的实验的情况下改变金属矩形结构98和上述提到的光学介质的其他结构的特征尺寸和组成，该金属矩形结构即电容-电感(capacitive-inductive)结构。这些变化可产生折射率和/或三阶非线性电磁化率χ⁽³⁾在所选波长范围内为负的光学介质。

例如，矩形金属结构98，也就是电感-电容机构，可由侧向的一系列导体区域形成，其中该系列包括金属区域、具有高介电常数的材料的介电区域，和另一金属区域。该介电区域夹在侧面毗邻的金属区域之间，例如形成电容。该金属区域可以是例如Au或多层的Au和Ti。该介电层可由具有高介电常数的多种介电材料中的一种形成。示例的具有高介电常数的介电材料包括钛酸盐(BaTiO₃)、钛酸锶钡(barium strontiumtitanate)、钛酸铅(PbTiO₃)、铌酸钾(KNbO₃)、钴钨酸铅(Pb(Co_1/2W_1/2)O₃)、铁钽酸铅(Pb(Fe_1/2Ta_1/2)O₃)、镁铌酸铅(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃)、锌铌酸铅(Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锶钾(potassiumstrontium niobate)、铌酸锶钠(sodium strontium niobate)(NaSr₂Nb₅O₁₅)、锶锂钾铌酸(lithium potassium strontium niobate)(LiNaSr₄Nb₁₀O₃₀)、铌酸钠钡(sodium barium niobate)(NaBa₂Ni₅O₁₅)、铌酸锶钡(barium strontium niobate)、铌酸钾锂(K₃Li₂Nb₅O₁₅)、钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)、和/或磷酸二氢钾(potassium dihydrogen phosphate)(KH₂PO₄)。由于中心介电区域具有高介电常数，矩形金属机构98的这样的实施例能具有与上述所述的Ti/Au/Ti/硅(硅氧化物或硅氮化物)/Ti/Au的实施例同样的电容，即使他们的中心介电区域比Ti/Au/Ti/硅(硅氧化物或硅氮化物)/Ti/Au的实施例的硅(硅氧化物或硅氮化物)区域显著更宽。更宽的中心介电区域的作用是能减少制造光学材料90的成本。

根据所述揭示的内容、绘图、和权利要求，本发明的其他实施例根据本领域的技术是显而易见的。

Claims (8)

1.一种装置，包括：

光波导，具有位于该光波导中的光学介质，该光学介质在一频率范围内表现为负折射率材料；

一个或多个光耦合器，被设置为提供至该光学介质的第一和第二光学输入以及提供来自光学介质的光学输出；以及

光泵浦源，由一个或多个光耦合器中的一个来耦合以传递泵浦光至该光学介质；

其中当相关的三个频率参数为：泵浦光频率、输入至该光波导的光的频率、和响应于接收输入该光波导的光而由该光波导输出的光的频率，该光学介质具有负的三阶非线性电磁化率。

2.如权利要求1所述的装置，其中该光波导被配置为响应于通过所述一个或多个光耦合器同时接收输入光和泵浦光而对部分输入光进行波长转换。

3.如权利要求2所述的装置，其中该介质能够通过在输入光的动量、泵浦光的动量和已波长转换的光的动量之间实施理想相位匹配的过程对部分接收到的输入光进行波长转换。

4.如权利要求1所述的装置，包括第二光学泵浦光源，该第二光学泵浦光源被一个或多个光耦合器中的一个来耦合，用于以不同于第一光泵浦源的频率向该光学介质传递泵浦光。

5.一种方法，包括：

以载波频率通过光纤传输线路的多个光纤跨距发射光数据信号流；

将所发射的光数据信号发送到光波导的光学介质中，同时用泵浦光对该光学介质进行光学泵浦，当相关的三个频率参数为：泵浦光频率、所发射的光数据信号流的光的频率、和响应于所述发送而由该光波导输出的光的频率，该光学介质具有负的三阶非线性电磁化率，该光学介质在一频率范围内具有负折射率。

6.如权利要求5所述的方法，其中该发送从每个所发射的光数据信号中产生校正的光数据信号，该校正的光信号具有与所发射的光数据信号不同的载波频率。

7.一种方法，包括：

以预选频率发射光至光波导的光学介质，该光学介质在特定波长范围内具有负折射率；

用泵浦光泵浦该光学介质，同时执行发射，以在该光学介质中对部分发射光进行波长转换；以及

其中当相关的三个频率参数为：泵浦光频率、所发射的光的频率、和响应于所述发送而由该光波导输出的光的频率，该光学介质具有负的三阶非线性电磁化率。

8.如权利要求7所述的方法，其中波长转换是通过在该光学介质中在发射光的动量、泵浦光的动量和已波长转换的光的动量之间保持理想的相位匹配关系来执行的。

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