CN113406837B - 一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，属于光学元件技术领域，该方法中使用准周期结构的晶体，利用Type‑I(e+e→o)型准相位匹配，可以通过控制温度实现不同波长的倍频转换，所述的晶体材料为极化铌酸锂晶体，晶体的结构由两种不同畤长的单元畴连续嵌套形成，晶体被长度为A，B的单元畴连续嵌套，嵌套的排序为ABBA，A与B畤长的数值比由算法计算得出；本发明能在满足Type‑I(e+e→o)型准相位匹配的条件下，同时实现多个波长的倍频转换，而且可以通过控制温度来调节产生倍频光的波段，能在单一晶体结构中实现常用通信波段的全覆盖，具有重要的理论意义与现实意义。

Description

一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法

技术领域

本发明涉及一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，属于光学元件技术领域。

背景技术

倍频、差频、和频等二阶非线性光学频率转换在光谱学、超短脉冲倍频、信号处理以及光通信等领域都有着重要的应用。若想提高频率转换的效率，就必须实现各相互作用波长的相速度匹配，从而将输入光的能量全部转化为目标波长的能量。以倍频为例，相位匹配必须满足基波和二次谐波的折射率相等。利用晶体双折射现象的双折射相位匹配技术虽然能实现完全相位匹配，但是对温度和入射角度的要求极高，参数的可调谐性较差，很难在实际生产中得到应用。相比之下，准相位匹配技术(QPM)有着很多优点。准相位匹配技术通过周期性的改变非线性材料的极化强度，利用对非线性介质的二阶极化率的调制来补偿由材料色散效应产生的相位差，可以极大地提高非线性频率转换的效率。

通常，周期固定的周期极化晶体只能提供一个倒格矢从而实现单波长的频率转换，但随着准相位匹配技术的不断发展，多重准相位匹配的概念被提出。多重准相位匹配技术是指通过改变极化晶体的结构，使一块晶体中能同时提供多个倒格矢，从而实现多波长的同时转换。为此，近年来提出了一些解决方案。1992年，M.M.Fejer等人通过在均匀QPM光栅上叠加相位反转光栅形成双周期QPM结构，这种结构提供了两个倒格矢，实现了1.55μm和1.551μm的双波长倍频。随后，Zhao LN等提出一种可公度的双周期结构，通过深入的理论研究与计算得出当公度比为7时实现的双波长倍频，大大的提高了转换效率。1997年，基于Fibonacci数列的准周期结构被提出，菲波那契序列是一种二组元准周期结构，由A和B两个单元组成。在A单元中包含一块正畴A1和一块负畴A2，B单元中同样也由正畴B1和负畴B2组成。菲波那契序列规定：lA＝lA1+lA2，lB＝lB1+lB2，定义τ＝lA/lB。令lA1＝lB1＝l，则有lA2＝l(1+η)，lB2＝l(1-τη)。可以通过递推公式A→AB，B→A不断迭代得到菲波那契序列的准周期结构。通过调整各单元的畴长及匹配级数，可以得到预设大小的倒格矢，从而灵活地满足多重准位相匹配过程。这种准周期结构的最初实现是在钽酸锂晶体中，同时实现了多个波长的二倍频，在多波长倍频中，不同的超晶格结构的倒格矢分布不同，对应的匹配的波长也不同。2010年提出的一种使用投影法的啁啾结构，这种新型结构结合了啁啾和准周期结构的优点，不仅可以可用于多重准相位匹配实现多波长倍频，并且可以很好地控制多波长的带宽。为光学超晶格的结构设计提供更多的灵活性。Gu B Y等提出的一种基于退火等算法选定相位反转区域的非周期结构，能提供丰富的倒格矢，同时实现多波长的倍频，实现了0.972μm、1.082μm、1.283μm、1.364μm和1.5687um五波长的倍频有效非线性系数基本相同为0.23。2019年，Meetei等人提出的通过遗传算法确定相位反转域的结构，实现了实现了在通信波段1.550μm、1.569μm、1.588μm、1.606μm、1.629μm处的多重准相位匹配的二次谐波产生，二次谐波的相对转换效率达18.65％。

经过对现有技术的检索发现，基于准相位匹配产生多波长倍频的技术已经十分成熟，优势明显，但仍存在以下不足：1、采用特定结构实现多个波长的倍频输出，转换效率高但是带宽极短，通过调谐覆盖的波段范围较窄，不能采用一种晶体结构实现0.86μm、1.06μm、1.31μm、1.55μm等常用通信波段的全部覆盖；2、采用特定结构实现一定波段的带宽倍频输出，但带宽的增加牺牲了大量的转换效率；这些不足都很难满足非线性频率转换在现实应用中的需求。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，其采用特定的准周期结构铌酸锂晶体，实现较高转换效率的多波长的倍频输出，同时通过控制温度，在单一晶体结构中实现常用通信波段的倍频输出全覆盖。

技术方案：本发明提供了一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，该方法中使用准周期结构的晶体，利用Type-I型(e+e→o)准相位匹配，通过控制温度实现不同波长的倍频转换，所述方法包括如下步骤：

步骤1：给出基于准相位匹配实现多波长倍频的准周期晶体结构模型；

步骤2：给定初始条件，确定准周期晶体结构的具体参数；

步骤3：通过此准周期晶体结构实现高效率多波长倍频转换，获得倍频效率；

步骤4：同时实现多个波长的倍频输出，利用Type-I(e+e→o)型准相位匹配效果受温度影响明显的特性，通过温度调谐，在单一晶体结构中实现常用通信波段的倍频输出全覆盖。

进一步的，所述步骤1中，所述晶体的材料为5mol％掺氧化镁铌酸锂晶体(5mol％MgO:LN)，且晶体呈长方体形状，上下表面平行且均被抛光，晶体在光波传播方向被两种畤长分别为A、B的单元畴，以ABBA顺序为周期连续嵌套，每个单元畴的自发极化方向由向上向下依次排列。

进一步的，所述步骤1中，A与B畤长的比值为lA:lB＝0.864:2.136。

进一步的，所述步骤2中，给定一初始波长与温度，利用Sellmeier方程确定该条件下实现Type-I(e+e→o)型准相位匹配所需的相干长度，取相干长度的两倍为所述准周期结构的周期长度，并通过比例确定A、B畴的畤长，根据计算所得的周期长度来确定结构的周期数。

进一步的，所述步骤2中，相干长度lc由以下公式得到：

其中λ为基频光波长，nω为基频光在晶体中折射率，n2ω为倍频光在晶体中折射率。

进一步的，所述步骤2中，准周期结构晶体的总长为9～10mm。

进一步的，所述步骤3中，倍频效率η由以下公式得到：

公式中，d33表示z方向上最大的非线性系数，L表示晶体的总长度，Δk(λ)表示相位失配量，d(z)表示单个畴单元的极化方向分布，随着z值的变化而变化；当d(z)＝1时，极化方向向上，当d(z)＝-1时，极化方向向下；

其中Δk(λ)由以下公式得出：

进一步的，所述步骤3中，再引入一个相对有效非线性系数dreff(λ)表述为：

通过引入dreff(λ)的dB值来衡量转换效率的高低。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明从准相位匹配技术的原理出发，设计一种新型的准周期晶体结构，可以同时实现多个波长的倍频输出；同时利用Type-I(e+e→o)型准相位匹配效果受温度影响明显的特性，通过温度调谐，在单一晶体结构中实现常用通信波段的倍频输出全覆盖，对比于传统的带宽倍频输出，倍频光的转换效率显著提高，对全光通信以及全光网络技术的发展有着重要的意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的准周期极化铌酸锂晶体结构示意图。

图2是本发明实施例提供的准周期结构晶体倍频效率与基频波长关系曲线。

图3为本发明实施例提供的Type-I(e+e→o)型准相位匹配下不同温度时基频波长与QPM周期长度关系曲线。

图4为本发明实施例提供的不同温度下准周期结构晶体倍频效率与基频波长关系曲线。

图5为本发明实施例提供的基频波峰随温度调谐覆盖波长范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供的实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，该方法中使用准周期结构的晶体，晶体材料为极化铌酸锂晶体，晶体被长度为A、B的单元畴连续嵌套，单个周期嵌套的排序为ABBA。该方法能在满足Type-I(e+e→o)型准相位匹配的条件下，同时实现多个波长的倍频转换，并通过控制温度来调节产生倍频光的波段，能在单一晶体结构中实现常用通信波段的全覆盖。具体实施步骤如下：

步骤1：给出基于准相位匹配实现多波长倍频的准周期铌酸锂晶体结构模型：

本发明上述准周期结构采用的晶体材料为5mol％掺氧化镁铌酸锂晶体(5mol％MgO:LN)，晶体呈长方体形状，上下表面平行且均被抛光，晶体的结构如图1所示，晶体在光波传播方向被两种畤长分别为A、B的单元畴，以ABBA顺序为周期连续嵌套，每个单元畴的自发极化方向由向上向下依次排列。A与B畤长的比值lA:lB＝0.864:2.136，该数据为算法优化得到的最优值。

步骤2：给定初始条件，确定准周期结构的具体参数：

给定一初始波长与温度，利用Sellmeier方程确定该条件下实现Type-I(e+e→o)型准相位匹配所需的相干长度。相干长度lc由以下公式得到：

其中λ为基频光波长，nω为基频光在晶体中折射率，n2ω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5％MgO掺杂的LN时，o光和e光的系数ai、bi由表1所示。

表1 5％MgO掺杂的LN晶体Sellmeier方程参数表

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。

取相干长度的两倍为所述准周期结构的周期长度，并通过比例确定A、B畴的畤长，所述准周期结构晶体的总长为10mm，根据计算所得的周期长度来确定结构的周期数。

步骤3：通过此结构能够实现高效率多波长倍频转换，倍频效率η有以下公式得到：

公式中，d33表示z方向上最大的非线性系数，L表示晶体的总长度，Δk(λ)表示相位失配量，d(z)表示单个畴单元的极化方向分布，随着z值的变化而变化。当d(z)＝1时，极化方向向上，当d(z)＝-1时，极化方向向下。其中Δk(λ)由以下公式得出：

引入一个相对有效非线性系数dreff(λ)表述为：

在本发明中将引入dreff(λ)的dB值来衡量转换效率的高低。

步骤4：同时实现多个波长的倍频输出，利用Type-I(e+e→o)型准相位匹配效果受温度影响明显的特性，通过温度调谐，在单一晶体结构中实现常用通信波段的倍频输出全覆盖。

计算实例：

具体参数设置如下：本发明所述准周期结构选择5％MgO掺杂的铌酸锂晶体作为倍频晶体，利用Type-I(e+e→o)型准相位匹配，温度设置为62.4℃，准周期结构的周期长度设置为6.5μm，其中A型畴畤长为0.936μm，B型畴的畤长为2.314μm，晶体的周期个数为1500个，总长约为10mm。如图2所示，在上述条件下，所述准周期结构可以实现基频光波长为1.0688μm与1.55μm处的双波长倍频，相对转换效率的dB值分别为-4.07dB与-4.06dB。

如图3所示，当周期长度固定时，满足Type-I(e+e→o)型准相位匹配条件的基频光波长受到温度变化的影响较大。所以在不改变晶体结构的情况下，可以通过精准控制温度来实现不同基频波长的倍频转换。图4为在本发明所述准周期结构中，上述参数设置不变仅改变温度时，基频波长与相对转换效率的关系图。如图4所示，该结构可以同时实现三个波长的倍频输出，倍频光的相对转换效率在均大于-10dB，三个基波的波峰随着温度增加而减小。图5为通过温度调谐实现倍频的三个波峰所能覆盖的波长范围，如图5所示，本发明所述准周期结构，可以实现基频光波长为0.84μm-1.1μm、1.28μm-1.6μm范围内的倍频输出，覆盖了所有常用的通信波段。使用本发明上述参数实现常用通信波段倍频所需的温度由下表给出。

表2常用通信波段倍频温度效率表

波长	0.86μm	1.06μm	1.31μm	1.55μm
					所需温度	204.4℃	80.4℃	224.6℃	62.4℃
相对转换效率	-9.56dB	-4.30dB	-4.15dB	-4.06dB

综上所述，提供了一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，从准相位匹配技术的原理出发，设计一种新型的准周期晶体结构，可以同时实现多个波长的倍频输出；同时利用Type-I(e+e→o)型准相位匹配效果受温度影响明显的特性，通过温度调谐，在单一晶体结构中实现常用通信波段的倍频输出全覆盖，对比于传统的带宽倍频输出，倍频光的转换效率显著提高，对全光通信以及全光网络技术的发展有着重要的意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，其特征是，该方法中使用准周期结构的晶体，利用Type-I型(e+e→o)准相位匹配，通过控制温度实现不同波长的倍频转换，所述方法包括如下步骤：

步骤1：给出基于准相位匹配实现多波长倍频的准周期晶体结构模型；

步骤2：给定初始条件，确定准周期晶体结构的具体参数；

步骤3：通过此准周期晶体结构实现高效率多波长倍频转换，获得倍频效率；

步骤4：同时实现多个波长的倍频输出，利用Type-I(e+e→o)型准相位匹配效果受温度影响明显的特性，通过温度调谐，在单一晶体结构中实现常用通信波段的倍频输出全覆盖；

所述步骤1中，所述晶体的材料为5mol％掺氧化镁铌酸锂晶体，且晶体呈长方体形状，上下表面平行且均被抛光，晶体在光波传播方向被两种畴长分别为A、B的单元畴，以ABBA顺序为周期连续嵌套，每个单元畴的自发极化方向由向上向下依次排列；

所述步骤2中，给定一初始波长与温度，利用Sellmeier方程确定该条件下实现Type-I(e+e→o)型准相位匹配所需的相干长度，取相干长度的两倍为所述准周期结构的周期长度，并通过比例确定A、B畴的畴长，根据计算所得的周期长度来确定结构的周期数。

2.根据权利要求1所述的实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，其特征是，所述步骤1中，A与B畴长的比值为lA:lB＝0.864:2.136。

3.根据权利要求1所述的实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，其特征是，所述步骤2中，相干长度l_c由以下公式得到：

其中λ为基频光波长，n_ω为基频光在晶体中折射率，n_2ω为倍频光在晶体中折射率。

4.根据权利要求3所述的实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，其特征是，所述步骤2中，准周期结构晶体的总长为9～10mm。

5.根据权利要求3所述的实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，其特征是，所述步骤3中，倍频效率η由以下公式得到：

公式中，d₃₃表示z方向上最大的非线性系数，L表示晶体的总长度，Δk(λ)表示相位失配量，d(z)表示单个畴单元的极化方向分布，随着z值的变化而变化；当d(z)＝1时，极化方向向上，当d(z)＝-1时，极化方向向下；

其中Δk(λ)由以下公式得出：

6.根据权利要求5所述的实现准相位匹配多波长倍频转换的方法，其特征是，所述步骤3中，再引入一个相对有效非线性系数dreff(λ)表述为：

通过引入dreff(λ)的dB值来衡量转换效率的高低。

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