CN102722061A

CN102722061A - 一种基于光子晶体的全光多波长转换方法及其装置

Info

Publication number: CN102722061A
Application number: CN2012101999381A
Authority: CN
Inventors: 李潮; 吴俊芳
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-15
Also published as: CN102722061B

Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体的全光多波长转换的方法，首先利用超导脉冲激光将光子晶体多模谐振微腔的各谐振腔模激励出来，然后再利用单频连续激光对光子晶体谐振微腔进行泵浦，从而使泵浦光能量源源不断地转移到光子晶体谐振微腔的各谐振模式中。同时，在位于光子晶体输出端一侧的反射腔镜中引入一个点缺陷，使得该点缺陷的缺陷模波长与待选频输出的谐振模波长相同，实现高效的多波长选频输出。本发明不受非线性光学材料、位相匹配条件及泵浦光功率强度的限制，可以在任意泵浦光功率下实现多波长转换，并且转换的目标波长可以通过对光子晶体谐振微腔及反射腔镜点缺陷的精细设计来自由操控。

Description

一种基于光子晶体的全光多波长转换方法及其装置

技术领域

本发明涉及全光多波长转换技术，特别涉及一种基于光子晶体的全光多波长转换方法及其装置。

背景技术

波长转换技术是获取新光源的重要手段，在光纤通信、单光子探测、高容量光学数据存储、生物医疗诊断等领域具有极为广泛的应用前景。自从激光问世以来，波长转换技术就一直是光学界研究的热点之一，受到各国政府、科学家以及企业界的高度重视。

波长转换技术可分为光电光型波长技术和全光波长转换技术。前者是先对光信号进行探测并转换为电信号，再利用电信号去重新调制新的波长的激光器，从而实现信号的波长变换。但该技术由于引入了光-电-光过程，装置结构复杂，灵活性差，成本高，功耗大，而且经过光—电一光的转换，原先光信号的相位、幅度等信息会丢失，无法实现光信号的完全透明传输，速率受限于电子瓶颈(40Gb/s)。而全光波长转换技术可将输入波长信号在光域内直接转换到某一新的波长上，而无需经过信号在光/电域的转换，响应速度快，结构紧凑，因而全光波长转换是当前波长转换技术的发展趋势。

当前，绝大多数全光波长转换都是基于非线性光学材料，并借助非线性光学技术（如和频、差频、Raman频移、二次谐波、四波混频效应）来实现的。由于大部分光学材料的非线性系数都比较低，故为了产生可观的非线性效应，往往需要非常高的泵浦光功率密度，这使得非线性光学材料由体介质向光纤，并逐渐向微纳尺度方向发展。

随着上世纪末光子晶体和光子晶体光纤概念的相继提出，由于其优异的性能而备受重视。2003年，日本的T.Ishihara等人在由中心对称材料构成的光子晶体中观察到了二次谐波产生（SHG），当泵浦强度达到1MW/cm²时，SHG效率为10^-14。此后，国内的石建平等人在Si材料构成的非线性光子晶体波动结构中实现SHG，在完全相位匹配条件下，当泵浦强度为130MW/cm²时，SHG效率达到0.2%。2007年，王秋国等人实验研究了基于色散平坦非线性光子晶体光纤中四波混频效应的波长转换，得到了28nm的波长转换带宽。2010年，英国的B.Beaudou等人在空心非线性光子晶体光纤中充入氢气，在低功率1064nm激光器的泵浦下观察到了Raman频移。此外，日本的H.Fukuda等人从实验证实了利用四波混频过程可以在硅线波导中实现高速全光波长变换。但是，随着泵浦光功率的增加，硅线波导自由载流子吸收效应逐渐趋于明显，光功率密度会出现饱和的现象，从而影响到转换效率的进一步提高。

从上述报道来看，这些基于非线性光学材料的全光波长转换技术，尽管已取得很大进展，但仍面临着一些基本的困难啓需解决。例如，实现波长转换需要特定的入射光频率、足够高的泵浦光功率密度、严格的位相匹配条件等，而且，目前能用于波长转换的非线性光学材料还比较有限，这使得全光波长转换的波段及其应用范围受到限制。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于线性光子晶体的全光多波长转换方法，不需借助非线性光学效应，故不受非线性光学材料、位相匹配条件及泵浦光功率的限制。

本发明的另一目的在于提供一种基于线性光子晶体的全光多波长转换装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于光子晶体的全光多波长转换方法，包括以下步骤：

S1超短脉冲激光通过后侧线性光子晶体波导入射到后侧线性光子晶体反射腔镜，并将后侧线性光子晶体反射腔镜中央的第二点缺陷的缺陷模激励出来，第二点缺陷的缺陷模耦合入线性光子晶体谐振微腔，形成谐振模；所述第二点缺陷的缺陷模的波长与线性光子晶体谐振微腔所需输出的谐振模的波长相等；

S2频率位于线性光子晶体带隙范围内的单频连续激光从前侧线性光子晶体波导入射，透过前侧线性光子晶体反射腔镜后对线性光子晶体谐振微腔进行泵浦，使泵浦光能量转换成谐振模，并通过后侧线性光子晶体波导输出谐振模；所述单频连续激光的波长与前侧线性光子晶体反射腔镜中央的第一点缺陷的缺陷模波长相等。

一种基于光子晶体的全光多波长转换装置，包括连续光单频泵浦激光器、超短脉冲激光器、线性光子晶体多波长转换系统，所述线性光子晶体多波长转换系统包括由在线性光子晶体上依次排列的前侧线性光子晶体波导、前侧线性光子晶体反射腔镜、线性光子晶体谐振微腔、后侧线性光子晶体反射腔镜、后侧线性光子晶体波导组成；所述前侧线性光子晶体反射腔镜的中央设有第一点缺陷；所述后侧线性光子晶体反射腔镜的中央设有第二点缺陷；

所述前侧线性光子晶体波导用于输入连续光单频泵浦激光器输出的泵浦光；

所述后侧线性光子晶体波导用于输入超短脉冲激光器输出的超短脉冲激光，并用于输出线性光子晶体谐振微腔中的谐振模；

所述第一点缺陷的缺陷模的波长与连续光单频泵浦激光器输出的泵浦光的波长相等；所述第二点缺陷的缺陷模的波长与线性光子晶体谐振微腔所需输出的谐振模波长相等。

所述线性光子晶体谐振微腔为多模谐振腔。

所述线性光子晶体谐振微腔为正方形谐振腔。

所述线性光子晶体谐振微腔的中心与第一点缺陷中心的距离为5a，所述线性光子晶体谐振微腔的中心与第二点缺陷中心的距离为5a；其中a为线性光子晶体的晶格常数。

所述连续光单频泵浦激光器的工作波长位于线性光子晶体带隙范围内。

本发明的原理如下：当超短激光脉冲从后侧线性光子晶体波导射入后，由于超短脉冲具有较宽的频谱（其谱宽与脉冲时域宽度成反比），可将后侧线性光子晶体反射腔镜中心的点缺陷的缺陷模激励出来，而这些缺陷模波长又被设计成与线性光子晶体谐振微腔中的某些谐振模波长相同，故这些缺陷模可高效地耦合入线性光子晶体谐振微腔中。此时，再用频率位于线性光子晶体带隙范围内的单频连续激光对线性光子晶体谐振微腔进行泵浦，从而使泵浦光能量源源不断地转移到多业已激励起来的谐振模式中。此外，前侧线性光子晶体反射腔镜中央引入点缺陷，使其缺陷模波长与泵浦光波长相等，但又不同于腔模谐振波长，故对泵浦光高透，而对激励出的具有谐振模波长的光高反，从而保证这些激励出来的谐振模高效地反射回线性光子晶体谐振微腔的后侧（即输出侧），并经由后侧线性光子晶体反射腔镜中心的点缺陷高效地耦合输出（因为该点缺陷的缺陷模波长与这些激励出来的谐振模波长完全一致），而泵浦连续光却被后侧线性光子晶体反射腔镜高效地反射回线性光子晶体谐振微腔，并继续将能量转移至微腔中业已激励起来的谐振模式中，从而进一步提高多波长转换效率，实现高效的多波长选频输出。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明不需要借助非线性光学效应和技术，故不受非线性光学材料、位相匹配条件及泵浦光功率强度的限制，可以在任意泵浦光功率下实现波长转换。

（2）本发明多波长转换的目标波长（即线性光子晶体谐振微腔内各腔模的谐振波长）可以通过对线性光子晶体谐振微腔及反射腔镜点缺陷的精细设计来自由操控，因而比传统的基于非线性光学材料的波长转换技术具有更高的灵活性和自由度。

（3）本发明利用微腔前侧腔镜中央点缺陷的禁带反射效应，以及多模谐振腔与微腔后侧腔镜中央点缺陷间的耦合效应，能够实现高效的多波长选频输出。

（4）本发明基于线性光子晶体的全光多波长转换装置，其尺寸为微米量级，结构简单紧凑，并且可以使用硅等半导体材料制作，易于与其他光子器件集成，在未来全光微系统设计中（例如光子计算机，光子芯片等）将有重要的应用价值。

（5）本发明不仅可实现全光多波长转换，也可用于激光稳频。

附图说明

图1为实施例1的基于线性光子晶体的全光多波长转换装置的示意图。

图2为实施例1的线性光子晶体多波长转换系统的示意图。

图3为实施例2的线性光子晶体多波长转换系统的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的基于线性光子晶体的全光多波长转换装置，包括连续光单频泵浦激光器（CW LD）1、超短脉冲激光器（Pulsed LD）2、线性光子晶体多波长转换系统（PC MWCS）3，连续光单频泵浦激光器1与线性光子晶体多波长转换系统3之间沿光路方向依次设有50×显微物镜4、50×显微物镜5；线性光子晶体多波长转换系统3与超短脉冲激光器2之间沿光路方向依次设有50×显微物镜6、半透半反镜8、50×显微物镜7。连续光单频泵浦激光器1的工作波长为λ＝(1550±1)nm，超短脉冲激光器2的中心波长为λ＝(1550±2)nm，脉宽为200fs，重复频率为350MHz。

如图2所示，本实施例的线性光子晶体多波长转换系统3由25×9的Si材料圆形介质柱构成，沿xy平面排布，每根介质柱的折射率为n₀=3.4，高度（垂直于xy平面）h=2μm，直径d＝0.4a，其中a=635nm为晶格常数，其禁带范围是1502nm-2226nm。线性光子晶体多波长转换系统包括由在线性光子晶体上依次排列的前侧线性光子晶体波导9、前侧线性光子晶体反射腔镜12、线性光子晶体谐振微腔11、后侧线性光子晶体反射腔镜13、后侧线性光子晶体波导10组成；所述前侧线性光子晶体反射腔镜12的中央设有第一点缺陷14；所述后侧线性光子晶体反射腔镜13的中央设有第二点缺陷15。

本实施例的线性光子晶体谐振微腔11为正方形谐振腔，由0.8a×0.8a的方形介质柱代替原先该位置上的圆形介质柱而形成，其折射率仍为n₀=3.4，线性光子晶体谐振微腔的两个谐振模波长分别为λ₀₁＝1517nm及λ₀₂=1584nm。

前侧线性光子晶体反射腔镜12、后侧线性光子晶体反射腔镜13分别位于线性光子晶体谐振微腔的前后两侧，其晶格常数及介质柱参数与原线性光子晶体结构完全相同。前侧线性光子晶体反射腔镜12的中央引入第一点缺陷14，点缺陷14是用0.44a×0.44a的方形介质柱代替原先相应位置上的圆形介质柱形成，其折射率仍为n₀=3.4，其缺陷模波长为1550nm，第一点缺陷14的中心与线性光子晶体反射腔镜13的中心的距离为l₁=5a。后侧线性光子晶体反射腔镜13的中心引入第二点缺陷15，由0.8a×0.8a的方形介质柱代替原先该位置上的圆形介质柱形成，其折射率仍为n₀=3.4，线性光子晶体谐振微腔的两个谐振模波长分别为λ₀₁=1517nm及λ₀₂=1584nm；第二点缺陷15与线性光子晶体谐振微腔13完全相同，故其缺陷模波长与线性光子晶体谐振微腔11的谐振模波长完全相同，点缺陷15的中心与线性光子晶体反射腔镜13的中心的距离为l₂=5a。

前侧线性光子晶体波导9位于前侧线性光子晶体反射腔镜12的前侧，用于输入连续光单频泵浦激光器输出的泵浦光；后侧线性光子晶体波导位于后侧线性光子晶体反射腔镜13的后侧，用于输入超短脉冲激光器输出的超短脉冲激光，并用于输出线性光子晶体谐振微腔中的谐振模。

本实施例基于线性光子晶体的全光多波长转换方法，包括以下步骤：

S1超短脉冲激光通过后侧线性光子晶体波导入射到后侧线性光子晶体反射腔镜，在后侧线性光子晶体反射腔镜中激励出第二点缺陷的缺陷模，第二点缺陷的缺陷模耦合入线性光子晶体谐振微腔，形成谐振模；所述第二点缺陷的缺陷模的波长与线性光子晶体谐振微腔所需输出的谐振模的波长相等，具体步骤为：

S11利用偏振片令连续光泵浦激光器1和超短脉冲激光器2的电场偏振均沿线性光子晶体介质柱方向（即横磁模，TM偏振）；

S12开启超短脉冲激光器2，脉冲激光束经显微物镜6准直及半透半反镜8的反射后，再经显微物镜5聚焦后沿2维线性光子晶体平面（即xy面）射入线性光子晶体多波长转换系统3的后侧线性光子晶体波导10,并将后侧线性光子晶体反射腔镜中央的第二点缺陷15的两个缺陷模（其波长分别为λ₀₁=1517nm及λ₀₂=1584nm）激励出来；由于第二点缺陷15的缺陷模波长与线性光子晶体谐振微腔11的谐振模波长完全相同，故第二点缺陷15中被激励出来的两个缺陷模可高效地耦合入线性光子晶体谐振微腔11中。

S2频率位于线性光子晶体带隙范围内的单频连续激光从前侧线性光子晶体波导入射，透过前侧线性光子晶体反射腔镜后对线性光子晶体谐振微腔进行泵浦，使泵浦光能量转移到谐振模中，并通过后侧线性光子晶体波导输出谐振模；所述单频连续激光的波长与前侧线性光子晶体反射腔镜中的第一点缺陷的缺陷模的波长相等，具体为：

开启单频连续光泵浦激光器1，激光束经显微物镜4、显微物镜5的准直、聚集后射入沿2维线性光子晶体平面（即xy面）射入线性光子晶体光频转换系统3的前侧波导9，由于前侧线性光子晶体反射腔镜12中央的第一点缺陷14的缺陷模波长为1550nm，恰与连续光泵浦激光器的工作波长相同，故泵浦连续光可高效（100%）地透过反射腔镜12，进入线性光子晶体谐振微腔11中进行泵浦，从而使泵浦光能量源源不断地转移到线性光子晶体谐振微腔中业已激励起来的谐振模式λ₀₁和λ₀₂中。同时，由于λ₀₁和λ₀₂与第一点缺陷14的缺陷模波长不同，前侧线性光子晶体反射腔镜12将对线性光子晶体谐振微腔11中所激励出的具有谐振模波长λ₀₁和λ₀₂的光高反，从而保证这些激励出来的谐振模高效地反射回线性光子晶体谐振微腔11后侧（即输出侧），并经由线性光子晶体谐振微腔11后侧的线性光子晶体反射腔镜13的中央的第二点缺陷15高效地耦合输出（因为第二点缺陷15的缺陷模波长与这些激励出来的谐振模波长完全一致），而泵浦连续光却被后侧线性光子晶体反射腔镜13高效地反射回线性光子晶体谐振微腔11（因为泵浦连续光的波长与第二点缺陷15的缺陷模波长不同），并继续将能量转移至线性光子晶体谐振微腔11中业已激励起来的谐振模式中，从而进一步提高多波长转换效率。这样，便可实现高效的多波长（λ₀₁和λ₀₂）同时输出。

实施例2

如图3所示，本实施例除下述特征外，其余特征均与实施例1同。

线性光子晶体多波长转换系统的后侧线性光子晶体反射腔镜的点缺陷16由0.42a×0.42a或0.46a×0.46a的方形介质柱代替原先该位置上的圆形介质柱形成。

本实施例实现了对多波长进行选频输出，由于此时点缺陷的边长由0.8a×0.8a缩小为0.42a×0.42a（所对应缺陷模波长为λ₀₁）或0.46a×0.46a（所对应缺陷模波长为λ₀₂），使得点缺陷模的多模（λ₀₁和λ₀₂）变为的单模（λ₀₁或λ₀₂）。当超短脉冲激光从波导入射时，只能将点缺陷16中的单个缺陷模激励出来（即λ₀₁或λ₀₂），并高效地耦合入线性光子晶体谐振微腔中。在单频连续光的泵浦下（波长为1550nm），最终实现多波长选频（λ₀₁或λ₀₂）输出。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，如，线性光子晶体谐振微腔还可以为圆形谐振腔、矩形谐振腔和椭圆谐振腔等；其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光子晶体的全光多波长转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2频率位于线性光子晶体带隙范围内的单频连续激光从前侧线性光子晶体波导入射，透过前侧线性光子晶体反射腔镜后对线性光子晶体谐振微腔进行泵浦，使泵浦光能量转移到谐振模中，并通过后侧线性光子晶体波导输出谐振模；所述单频连续激光的波长与前侧线性光子晶体反射腔镜中央的第一点缺陷的缺陷模波长相等。

2.一种基于光子晶体的全光多波长转换装置，其特征在于，包括连续光单频泵浦激光器、超短脉冲激光器、线性光子晶体多波长转换系统，所述线性光子晶体多波长转换系统包括由在线性光子晶体上依次排列的前侧线性光子晶体波导、前侧线性光子晶体反射腔镜、线性光子晶体谐振微腔、后侧线性光子晶体反射腔镜、后侧线性光子晶体波导组成；所述前侧线性光子晶体反射腔镜的中央设有第一点缺陷；所述后侧线性光子晶体反射腔镜的中央设有第二点缺陷；

所述前侧线性光子晶体波导用于输入连续光单频泵浦激光器发射的泵浦光；

所述后侧线性光子晶体波导用于输入超短脉冲激光器发射的超短脉冲激光，并用于输出线性光子晶体谐振微腔中的谐振模；

3.根据权利要求2所述的基于光子晶体的全光多波长转换装置，其特征在于，所述线性光子晶体谐振微腔为多模谐振腔。

4.根据权利要求2或3所述的基于光子晶体的全光多波长转换装置，其特征在于，所述线性光子晶体谐振微腔为正方形谐振腔。

5.根据权利要求2所述的基于光子晶体的全光多波长转换装置，其特征在于，所述线性光子晶体谐振微腔的中心与第一点缺陷中心的距离为5a，所述线性光子晶体谐振微腔的中心与第二点缺陷中心的距离为5a；其中a为线性光子晶体的晶格常数。

6.根据权利要求2所述的基于光子晶体的全光多波长转换装置，其特征在于，所述连续光单频泵浦激光器的工作波长位于线性光子晶体带隙范围内。