CN105514787B - 一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器，该转换器能够在双波长信号全光处理时，对不同强度的信号光高效产生不同强度比例混合的倍频光。该转换器的设计方法是根据两信号光的波长，选取某种非线性晶体、掺杂度及温度，使两信号光对应的相干长度满足两倍关系，便可以构造渐变嵌套超晶格结构，信号光从不同位置入射晶体将得到不同强度比例的倍频光。
Description
技术领域
本发明涉及一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器及其设计方法，属于超晶格材料和激光技术领域。
背景技术
随着全光网络和双波长激光器的迅速发展，基于准相位匹配技术的全光器件在全光网络中的运用越来越广泛，全光网络的发展急需更多功能更高效的全光波长转换器件。
在全光处理时有时需要对两个波长为λ1、λ2的信号光进行倍频。常见方法有：利用复杂的光路将两个波长分开，在各自的光路中倍频，这种方法器件复杂，不紧凑；利用级联光学超晶格，将两个波长分别对应的光学超晶格级联起来，不用分路即可对两波长光倍频，这种方法晶体利用率不高；有人提出一种周期嵌套结构，将波长为λ1、λ2的信号光分别对应的周期结构嵌套叠合在一起，形成一种准周期结构，能够对波长为λ1、λ2的信号光同时进行倍频，这种结构实现了双波长的倍频，但不能对倍频效率进行控制，一旦晶体结构及波长为λ1、λ2的信号光的强度确定，两个倍频信号光的强度也就确定。而在实际应用中，有时波长为λ1、λ2的信号光强度不同却需要两个倍频信号光强度相同，有时波长为λ1、λ2的信号光强度相同却需要两个倍频信号光强度不同或者以某种强度比例混合，有时波长为λ1、λ2的信号光强度不同却需要两个倍频信号光以某种强度比例混合，这时这种周期嵌套结构便不再适用。而本发明能够很好地解决上面的问题。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术之不足，提出了一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器，该转换器能够在双波长信号全光处理时，对不同强度的信号光高效产生不同强度比例混合的倍频光。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器，该转换器包括一块非线性晶体，该非线性晶体经过极化形成正负畴交替的结构，结构图如图1所示，图中用黑白表示畴的正负，正畴极化方向向上，负畴极化方向向下，从上方看，从第一个电畴开始交替出现三角形正畴、梯形负畴、梯形正畴、三角形负畴，并以此为重复单元进行若干次重复，该转换器即由如此的许多三角形或梯形的正负畴交替连接组成。
本发明上述转换器是一种渐变嵌套超晶格结构，由两信号光分别对应的两个周期结构超晶格渐变嵌套构造而来，由一系列三角形或梯形畴组成。
本发明还提供了一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器的设计方法，该方法包括：对于波长为λ1、λ2的信号光，选取某种非线性晶体、掺杂度及温度，对波长为λ1的信号光，计算出其相干长度，取相干长度作为单畴长构造波长为λ1的信号光对应的周期结构超晶格，用同样的方法可构造波长为λ2的信号光对应的周期结构超晶格，如果两个周期结构超晶格的周期不满足两倍关系，则重新选择非线性晶体、掺杂度及温度进行构造，直到它们满足两倍关系，然后将这两个周期结构超晶格进行渐变嵌套，形成一个新的超晶格结构，将非线性晶体以得到的 超晶格结构极化反转，便得到双波长任意比例倍频的全光波长转换器。使用时，信号光从不同位置入射晶体将得到不同强度比例的倍频光。
本发明的上述方法能够应用于渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器。
有益效果：
1、本发明只需选择信号光的入射位置即可得到不同强度比例倍频光，结构简单、效率高且全光处理。
2、本发明能够根据两信号光的波长，构造一种渐变嵌套超晶格结构，使光在不同位置入射时，并且能够得到不同强度比例的倍频光。
附图说明
图1是渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器的示意图。
图2是波长较长的信号光对应的周期结构超晶格结构示意图。
图3是波长较短的信号光对应的周期结构超晶格结构示意图。
图4是两个周期结构超晶格渐变嵌套后得到的新的超晶格结构示意图。
图5是表示畴极化方向的归一化分布函数图。
图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)、图6(e)是分别在abcde位置入射时晶体的倍频效率谱。
图7是在不同位置入射时两信号光的倍频效率曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
本发明提供了一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器，该转换器由一块非线性晶体组成，非线性晶体经过极化形成正负畴交替的结构，结构图如图1所示，图中用黑白表示畴的正负，正畴极化方向向上，负畴极化方向向下，从上方看，从第一个电畴开始交替出现三角形正畴、梯形负畴、梯形正畴、三角形负畴，并以此为重复单元进行若干次重复，该转换器即由如此的许多三角形或梯形的正负畴交替连接组成。
本发明上述转换器是一种渐变嵌套超晶格结构，由两信号光分别对应的两个周期结构超晶格渐变嵌套构造而来，由一系列三角形或梯形畴组成。
本发明根据两信号光的波长λ1、λ2来设计超晶格结构，选取某种非线性晶体、掺杂度及温度，对波长为λ1的信号光，根据Sellmeier方程计算出其相干长度lc1，取相干长度lc1作为单畴长构造波长为λ1的信号光对应的周期结构超晶格，如图2所示，周期为Λ1＝2lc1，用同样的方法可构造波长为λ2的信号光对应的周期结构超晶格，如图3所示，周期为Λ2＝2lc2，如果两个周期结构超晶格的周期Λ1、Λ2不满足两倍关系，则重新选择非线性晶体、掺杂度及温度进行构造，直到它们满足两倍关系，然后将这两个周期结构超晶格进行渐变嵌套，形成一个新的超晶格结构，如图4所示，图中黑白表示畴的正负，从第一个电畴开始交替出现三角形正畴、梯形负畴、梯形正畴、三角形负畴，并以此为重复单元进行若干次重复，得到双波长任意比例波长转换器的超晶格结构，将非线性晶体按照得到的超晶格结构进行极化反转，便得到双波长任意比例倍频的全光波长转换器，如图1所示。在使用时，信号光从不同位置入射晶体将得到不同强 度比例的倍频光。
相干长度lc由以下公式得到：
其中λ为基频光波长，n1为基频光在晶体中折射率，n2为倍频光在晶体中折射率。
折射率n由Sellmeier公式得到：
其中λ为基频光波长，f(T)为温度参数，当晶体为1％MgO掺杂的LN时，系数ai、bi为：
a1＝5.078
a2＝0.0964
a3＝0.2065
a4＝61.16
a5＝10.55
a6＝1.59×10-2
b1＝4.677×10-7
b2＝7.822×10-8
b3＝-2.653×10-8
b4＝1.096×10-4
温度参数f由以下公式得到：
f(T)＝(T-24.5)(T+570.82)
其中T为温度，单位为摄氏度。
计算得到lc1、lc2后，对应的超晶格周期为Λ1＝2lc1、Λ2＝2lc2，以此构造两个如图2、图3所示的周期结构超晶格。若Λ1、Λ2不满足两倍关系，则重新选择非线性晶体、掺杂度及温度进行构造，直到它们满足两倍关系，然后将这两个周期结构超晶格进行渐变嵌套，形成一个如图4所示的新的超晶格结构，此超晶格结构能够实现双波长任意比例倍频。
倍频效率η由以下公式得到：
其中d33为z切LN的最大非线性系数，I1为基频光强，L为晶体长度，c为真空光速，ε0为真空介电常数，λ为基频光波长，n1为基频光在晶体中折射率，n2为倍频光在晶体中折射率，d(z)为表示畴极化方向的归一化分布函数，如图5所示，随着入射位置的变化而变化，Δk(λ)为相位失配量。
相位失配量Δk由以下公式得到：
其中λ为基频光波长，n1为基频光在晶体中折射率，n2为倍频光在晶体中折射率。
得出在不同位置入射时晶体的倍频效率谱及在不同位置入射时两信 号光的倍频效率曲线后，即可根据两信号光强度及需要的倍频光强度比例来选择入射位置。
假设需要对波长为1.06μm、0.86μm，强度相同的两个信号光进行倍频，且要求倍频后0.53μm、0.43μm两光强度比为1:2。选择1％MgO掺杂的LN作为倍频晶体，温度设置为114℃，由以上公式得出两个相干长度分别为3.3148μm和1.6574μm，符合两倍关系，故可构成图4所示超晶格结构。计算在不同位置入射时晶体的倍频效率谱，如图6所示，以及在不同位置入射时两信号光的倍频效率曲线，如图7所示，可见在d位置入射时，倍频效率有1:2关系，则倍频光强比为1:2。
Claims (4)
1.一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器，其特征在于，所述转换器包括一块非线性晶体；所述非线性晶体经过极化形成正负畴交替的结构，正畴极化方向向上，负畴极化方向向下；所述转换器由三角形或梯形的正负畴交替连接组成；
对于波长为λ1、λ2的信号光，选取某种非线性晶体、掺杂度及温度，对波长为λ1的信号光，计算出其相干长度，取相干长度作为单畴长构造波长为λ1的信号光对应的周期结构超晶格，用同样的方法可构造波长为λ2的信号光对应的周期结构超晶格，如果两个周期结构超晶格的周期不满足两倍关系，则重新选择非线性晶体、掺杂度及温度进行构造，直到它们满足两倍关系，然后将这两个周期结构超晶格进行渐变嵌套，形成一个新的超晶格结构，将非线性晶体以得到的超晶格结构极化反转，便得到双波长任意比例倍频的全光波长转换器，使用时，信号光从不同位置入射晶体将得到不同强度比例的倍频光。
2.根据权利要求1所述的一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器，其特征在于，所述转换器是一种渐变嵌套超晶格结构，由两信号光分别对应的两个周期结构超晶格渐变嵌套构造。
3.一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器的设计方法，其特征在于，所述方法包括：对于波长为λ1的信号光和波长为λ2的信号光，选取某种非线性晶体、掺杂度及温度，对波长为λ1的信号光，计算出其相干长度，取相干长度作为单畴长构造波长为λ1的信号光对应的周期结构超晶格，用同样的方法构造波长为λ2的信号光对应的周期结构超晶格，如果两个周期结构超晶格的周期不满足两倍关系，则重新选择非线性晶体、掺杂度及温度进行构造，直到它们满足两倍关系，然后将这两个周期结构超晶格进行渐变嵌套，形成一个新的超晶格结构，将非线性晶体以得到的超晶格结构极化反转，便得到双波长任意比例倍频的全光波长转换器；使用时，信号光从不同位置入射晶体将得到不同强度比例的倍频光。
4.根据权利要求3所述的一种渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器的设计方法，其特征在于：所述方法应用于渐变嵌套光学超晶格结构双波长任意比例波长转换器。
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