CN104238232B - 一种光折变空间光孤子的产生方法、装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光折变空间光孤子的产生方法、装置及其应用，该方法是以532nm信号光聚焦入射沿光轴方向施加电场的光折变晶体SBN75，同时加入与所述信号光同源的非相干背景光。所述信号光与所述背景光的功率比值保持在1：30～1:100范围内，所述信号光功率为4～30μW。所述电场为与光轴方向相反的反向电场，电压为300～500V。光折变空间光孤子产生装置包括光折变晶体SBN75、提供入射光折变晶体的同源信号光和背景光的光源以及向所述光折变晶体沿光轴方向施加极性可变电场的电极板。本发明采用了电场极性控制光孤子产生来实现光路转换，在光控制和光通信方面具有很好地应用前景。
Description
所属领域
本发明涉及非线性光学领域，尤其是涉及光折变效应与衍射发散相平衡的空间光孤子形成与光学耦合器设计领域。
背景技术
光折变空间光孤子以其产生功率低、响应时间短、可多次固定和擦洗等特性在光学信息处理、光存储、光互联及光计算等方面具有广阔的应用前景。研究光折变空间光孤子的理论很多，但是如何将光折变空间光孤子实用化是亟待解决的问题。
目前已经报道的利用空间光孤子制作的器件有：利用并行的非相干光孤子制作的定向耦合器和利用光折变空间光孤子感应波导的电固定制作的定向耦合器和光束分束器等。目前此类器件主要通过光控实现光孤子的分束和耦合，得到固定的耦合系数或分束比。
发明内容
本发明的目的就是提供一种光折变空间光孤子的产生方法、装置及其应用。
本发明的目的是这样实现：
光折变空间光孤子的产生方法，以532nm信号光聚焦入射沿光轴方向施加电场的光折变晶体SBN75，同时加入与所述信号光同源的非相干背景光。
本发明的光折变空间光孤子的产生方法中，所述信号光与所述背景光的功率比值保持在1：30～1:100范围内，所述信号光功率为4～30μW。
本发明的光折变空间光孤子的产生方法中，所述信号光功率优选为7～20μW。
本发明的光折变空间光孤子的产生方法中，所述电场为与光轴方向相反的反向电场，电压为300～500V。
本发明的的光折变空间光孤子的产生方法中，所述电场的电压为400V。
光折变空间光孤子产生装置，该装置包括光折变晶体SBN75、提供入射光折变晶体的同源信号光和背景光的光源以及向所述光折变晶体沿光轴方向施加极性可变电场的电极板。
本发明的光折变空间光孤子产生装置，所述光源包括532nm的激光器、将光分为信号光和背景光两束的偏振分束棱镜、对信号光和背景光进行处理的光学元件以及位于光折变晶体前方的用于透过信号光、反射背景光的半透半反镜；其中，信号光依次经过半波片和偏振片，以使信号光偏振方向平行于所述光折变晶体的光轴；背景光首先采用光斩波器和多个全反镜加长光路的办法来消除与信号光的相干性，再经过透镜组以准直扩束，最后经过使背景光偏振方向垂直于所述光折变晶体光轴的半波片和偏振片。
利用光折变空间亮光孤子的定向耦合器，包括光折变晶体SBN75、提供入射所述光折变晶体的同源信号光和背景光的光源以及向所述光折变晶体沿光轴方向施加极性可变电场的电极板。
本发明的定向耦合器，所述光源包括532nm的激光器、将光分为信号光和背景光两束的偏振分束棱镜、对信号光和背景光进行处理的光学元件以及位于光折变晶体前方的用于透过信号光、反射背景光的半透半反镜；其中，信号光依次经过半波片和偏振片，以使信号光偏振方向平行于所述光折变晶体的光轴；背景光首先采用光斩波器和多个全反镜加长光路的办法来消除与信号光的相干性，再经过用于准直扩束的透镜组，最后经过使背景光偏振方向垂直于所述光折变晶体光轴的半波片和偏振片。本发明利用了光折变空间光孤子的波导效应，通过对光折变晶体外加电场极性的控制使其产生不同的光通路，达到光路转变的目的。这种设计的优势在于空间光孤子的产生功率很低，只有微瓦量级，单模光纤中的光功率足以达到；光孤子的空间尺寸较小，只有几微米到十几微米，与单模光纤的模场直径同量级；响应速度较快，约几秒钟的时间。与其他光耦合器设计相比，本发明采用了电场极性控制光孤子产生来实现光路转换。光束呈Y形分束，两分束中心距离短但超过了单模光纤的直径，易于集成又不会发生串扰；装置只需控制外加电场的极性，易于实现。此装置功耗小，操控简单，易于与光纤系统集成，在光控制和光通信方面具有很好地应用前景。
本发明的技术方案基于发现改变外加电场极性可以得到不同的光波导通道，增加了光传播方向控制的灵活性，可作为可控的柔性光波导和Y型方向耦合器来使用。由此，本发明通过电压控制光折变材料，使空间亮光孤子产生于不同的波导通道，从而达到控制光束传播方向的目的。与现有定向耦合器设计相比，其具有光孤子形成所需功率低(只有微瓦量级)，器件空间尺寸较小(光束与晶体的作用尺寸只有十几微米)，响应速度较快(约几秒钟的时间)，易于控制和集成的特点。
本发明利用电场极性控制光折变晶体的折射率变化从而实现光束路径选择沿原方向传播或是分路传输。首先，对光折变晶体施加功率较强的同源非相干辐照光作为背景光，然后施加极性可控的电场，基于电场极性的控制决定光孤子导入晶体内形成波导的性质，从而控制光束的传播方向。本发明将光折变空间光孤子的形成与光耦合器结合起来，以实现空间光孤子在光控制和光通信方面的应用。此方案在实验中取得了较好的光波导导光和分束效果，这为实现光控制和光耦合器的设计领域提供了一个新的思路。
附图说明
图1为本发明所用具体实验装置图。
图2为未施加电场时，光束经晶体自然衍射输出效果图。其中左图为晶体前表面光斑，中图为拍摄于晶体顶部的光束自然衍射轨迹，右图为晶体后表面光斑。
图3为对晶体施加正向电场，光束收缩形成孤子实验结果图。
图4为对晶体施加反向电场，光束分裂为两束分别形成孤子的实验结果。
图5为信号光、外加反向电场与晶体的相对方位。
图6为Is:Ib＝15:1时晶体出射面光斑随外加反向电场的演化过程。
图7为Is:Ib＝15:1时晶体出射面光斑的半高宽随外加反向电场的变化。
图8 Is:Ib＝1:40时晶体出射面光斑随外加反向电场的演化过程。
图9 Is:Ib＝1:40时晶体出射面光斑随退压操作的演化过程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作出说明，但其不构成对本发明的任何限制。
实现本发明的原理是沿着光折变晶体SBN75的光轴加正向电压时，入射晶体的聚焦光束(532nm)在晶体内部传播由于光折变效应非线性地改变了介质的折射率，非均匀的折射率变化起到等效的波导作用。光束传播受到横向约束，当与衍射发散相平衡时表现为横向不展宽，形成光折变空间亮光孤子。如果同时用非相干均匀辐照光作为背景光照射晶体，光孤子更有利于形成。如果改变外加电场的极性，信号光引起的介质折射率的变化等效为反波导，光束横向衍射发散较未加电场自由传播时严重。如果此时用功率较强的背景光照射，会出现光束分裂形成两个光孤子的现象。
采用532nm的固体激光器作为光源，SBN75晶体无掺杂由山东大学生产，尺寸为5mm*5mm*5mm。晶体的c轴沿水平方向，与入射激光束传播方向相垂直。在晶体的垂直于光轴方向的两个侧面外镀电极，电极连接高压电源，以便施加外电场。为了在SBN晶体中获得较大的非线性效应，旋转偏振片使入射激光为e光。背景光经斩波器和透镜组扩束准直后再旋转偏振片调整为o光，由半透半反镜均匀照射到晶体上。透过晶体的激光光束由焦距约为10cm的成像透镜成像于Spiricon公司生产的光束分析仪(LBA)上。微调成像透镜的位置分别在LBA上观测晶体前后表面的光斑。
参考图1所示：
固体激光器输出的激光束经偏振分光棱镜1分成两束光，其中透射的一束作为信号光，反射的一束作为背景光。
其中，背景光主要经偏振分光棱镜1、第一全反镜2、第二全反镜3、第三全反反镜4、第四全反镜5来消除背景光与信号光的相干性。在第一全反镜2、第二全反镜3之间加入光斩波器8，目的是增加背景光束的随机相位，消除与信号光的相干性。在光斩波器8与第二全反镜3之间加入透镜组9进行准直扩束，以使光束能够均匀覆盖整个晶体。背景光经半波片10和偏振片11后偏振方向垂直于晶体光轴(o光)。然后，背景光经半透半反镜7均匀辐照SBN75晶体前表面。
信号光经半波片10和偏振片11后偏振方向平行于晶体光轴(e光)，信号光经焦距为12.5cm的透镜12及半透半反镜7聚焦到SBN75晶体13的前表面。
SBN75晶体的光轴如图1箭头所示，图1所示为沿晶体光轴施加反向电场。
通过调节成像透镜14的位置，使晶体的前后表面光斑分别成像于光束分析仪15上。光束分析仪15由Spiricon公司生产，利用其自带软件将其所采集的光斑图样显示于计算机16上做数据处理。
本发明的技术方案是按以下步骤进行的：
步骤一、光折变空间亮光孤子形成
532nm信号光入射沿光轴方向施加电场的光折变晶体SBN75，同时加入适当功率的同源背景光，在电场和光场的作用下建立稳定的空间电荷场，在晶体内形成二维光折变空间亮光孤子。此时，在晶体内部信号光的传播通道即为光波导。
步骤二、电控分束器的形成
改变步骤一中施加光折变晶体的电场极性，这时孤子出现分裂，在适当的电场条件下，孤子分裂为两个，每个孤子形成新的光波导传输。
实验例：
实验中控制信号光功率在μW量级，由LBA采集光束在晶体入射面和出射面的光斑进行比较分析。当信号光与背景光光强比(Is:Ib)处于不同范围时，我们观察到信号光出现两种截然不同的演变现象。
当Is:Ib在20:1～1:20的范围内,随着外加电压的增大，晶体出射面光斑越来越大,能量越来越分散。图6显示了当Is:Ib＝15:1(Is＝15μW)时晶体出射面光斑随外加电场的演化过程。光束入射晶体前表面的半高宽约为7.5μm，当开始加逆向电压,晶体后表面光斑的半高宽与电场几乎呈线性的增长，表现为自散焦行为，到1000V时达到16.8μm，如图7所示。
当Is:Ib在1:30～1:100的范围内时,随着电场的增加,光束也出现了发散，但是沿着y轴(参考图8)发散较x轴更为剧烈,还有分裂的现象。图8显示了当Is:Ib＝1:40(Is＝5μW)时晶体出射面光斑随外加电场的演化情况。当电压加到100V时沿y轴方向光斑拉长，到200V时明显观测到光斑出现了分裂，两个光斑中心距离为9.3μm,继续加压，分离的距离随之增大，到600V还可观测到其中一个光斑出现再次分裂。
当沿晶体c轴反向加压实验完成后退压时，不管信背比在什么范围，出射光斑表现出明显的收缩行为，在特定情况下,还形成了类孤子，过几分钟到几个小时不等才会恢复到未加电场时的光斑大小。图9所示为图8实验条件下出射光斑在退压时的演化过程。起始电压为1100V，退压至900V，两光斑出现交叠融合，到700V时已经汇成一个光斑，继续退压，能量越来越集中，光斑尺寸也随之减小，退压至400V，光斑半高宽达到6.5μm，几乎与加压前晶体前表面光斑具有相等的半高全宽值，可认为形成了孤子。
实施例：
1、按照图1搭建光路。
2、532nm入射信号光光束功率5μW，信号光功率与背景光功率比值保持在1：40。
3、当晶体上无施加电场时，光束自然衍射。此时晶体前表面光斑尺寸(半高全宽FWHM)约为6.5μm，后表面的光斑尺寸约为8.1μm，如图2所示。
4、当沿晶体光轴施加正向电场时，随着电压的增加，光束渐渐在横向两维方向上收缩，到400V时形成空间光孤子，如图3所示，得到的晶体后表面光斑由图2右图的衍射发散逐渐收缩成孤子。
5、当沿晶体光轴施加反向电场时，随着电压的增加，光斑在垂直方向上发散分裂成两个孤子，各自能量收缩不展宽，两孤子中心距离随着电压的增加而增加。到400V时，两孤子中心距离达到16μm。图4所示，得到的晶体后表面光斑逐渐分裂为两个孤子。
Claims (5)
1.一种光折变空间光孤子的产生方法，其特征在于，以532nm 信号光聚焦入射沿光轴施加反向电场的光折变晶体SBN75，同时加入与所述信号光同源的非相干背景光；所述信号光与所述背景光的功率比值保持在1 ：30 ～ 1:100 范围内，所述信号光功率为4 ～ 30μW；所述反向电场的电压为300 ～ 500V。
2.根据权利要求1 所述的光折变空间光孤子的产生方法，其特征在于，所述信号光功率为7 ～ 20μW。
3.根据权利要求1 所述的光折变空间光孤子的产生方法，其特征在于，所述电场的电压为400V。
4.利用光折变空间亮光孤子的定向耦合器，其特征在于，包括光折变晶体SBN75、提供入射所述光折变晶体的同源信号光和背景光的光源以及向所述光折变晶体沿光轴方向施加极性可变电场的电极板。
5.根据权利要求4 所述的定向耦合器，其特征在于，所述光源包括532nm 的激光器、将光分为信号光和背景光两束的偏振分束棱镜、对信号光和背景光进行处理的光学元件以及位于光折变晶体前方的用于透过信号光、反射背景光的半透半反镜；其中，信号光依次经过半波片和偏振片，以使信号光偏振方向平行于所述光折变晶体的光轴；背景光首先采用光斩波器和多个全反镜加长光路的办法来消除与信号光的相干性，再经过用于准直扩束的透镜组，最后经过使背景光偏振方向垂直于所述光折变晶体光轴的半波片和偏振片。
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