一种用于密集光波复用系统的宽带倍频方法及系统

1.本发明属于光电器件领域。


背景技术：

2.由于红外光具有较强的穿透能力，覆盖室温下物体所发出的热辐射的波段，从而在军事、通讯、环境监测、生物医学以及基础研究等领域具有广泛的应用。
3.在非线性光学领域中，二次谐波产生(shg)，又称倍频过程，是频率为ω的基频光通过非线性光学晶体，产生频率为2ω的倍频光。由于非线性介质材料色散效应的作用，不同频率的光波在介质中传播时具有不同的传播速度和折射率，这导致了在进行二次谐波转换时会产生相位失配，使得每经过一个相干长度将改变一次基波和二次谐波两者之间的能量流动方向，二次谐波不能有效持续获得增益。
4.要使倍频转换效率随着传播距离增加而增加，也就是让倍频波能量得到持续增益，则必须满足相位匹配条件δk＝k
2ω-2k
ω
＝0，其中k
ω
、k
2ω
分别是基波、倍频波的波矢量。实现相位匹配的方法有两种，分别是双折射相位匹配(bpm)和准相位匹配(qpm)。双折射相位匹配主要是利用晶体的双折射特性，选取适当的传播方向和不同的偏振态，使得基频光和倍频光具有相同的折射率，从而补偿晶体中色散效应的影响。但由于受到基频光的波矢方向和偏振方向等因素的限制，只能在某些晶体中实现固定波长的相位匹配。准相位匹配技术通过周期性改变晶体的自发极化方向来补偿因相互作用的光波波长不同在非线性晶体中产生的相位失配。该技术的一个显著特点是对周期极化晶体的整个透光范围内的任意波长的光波都可以实现相位匹配，其中周期性极化铌酸锂晶体是目前准相位匹配技术应用最多的一种周期极化非线性晶体。在准相位匹配实施的过程中，二阶非线性极化率每经过一个相干长度lc后会发生反转，人为的使能量流动方向保持基波往倍频波流动。此时倍频转换过程的相位失配量为：式中，m为阶数，取奇数(1,3,5
…
)。当满足相位匹配条件δk
qpm
＝0时，非线性晶体极化周期可由式子求得。
5.密集光波复用系统是解决光纤大容量传输的关键技术，能够有效地提高单位光纤的通信容量，提高光纤利用率，降低了通信的成本。近年来由于密集光波复用技术充分利用单模光纤的带宽资源和低损耗等诸多优势，使其在光纤领域的应用越来越广泛。
6.对密集光波复用系统，包含可达上百个光波的应用，要占用一定的波段范围，这个范围主要是尽可能的不要受到光纤截止波长及衰减与色散特性的影响；要使每个光波波长应避免波道间的相互影响；还要适应光放大器特性的需要等。密集光波复用系统选用的工作波长范围为1.5288μm～1.5606μm，光波波长满足：λ＝c/(193.1+n
×
0.1thz)，其中c为真空中光速，n为光波数。因此密集光波复用系统光波波长为1.5288μm，1.5296μm
……
1.5598μm，1.5606μm。


技术实现要素：

7.本发明是用于密集光波复用系统的宽带倍频方法及系统，在不同温度下，通过设计周期极化铌酸锂器件极化周期，实现最多的光波数倍频转换。
8.根据准相位匹配原理，当满足准相位匹配的条件时计算周期极化铌酸锂器件的极化周期。在准相位匹配过程中，先计算相位失配量其中k
ω
、k
2ω
分别是基波、倍频波的波矢量，λ1、λ2分别是基波、倍频波的波长，满足关系：λ1＝2λ2，n1、n2分别是基波、倍频波的折射率，λ为器件的极化周期。当满足准相位匹配条件δk
qpm
＝0时，极化周期可表示为
9.在准相位匹配的条件下，宽带倍频要求一定波长范围内的基波波长都能实现高效倍频转换，即相位失配量δk
qpm
在这个波长范围内的变化量要足够小，需要满足条件：满足在基波范围内相位失配量δk
qpm
极小值的波长就是倍频转换的群速度匹配波长，当同时满足准相位匹配条件和群速度匹配条件便可以在群速度匹配波长附近实现宽带倍频转换。
10.周期极化铌酸锂器件的极化周期为群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期时，该器件可实现多光波数的倍频转换，在一些情况下，将器件的极化周期设计为略微偏移群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期，可以实现更多光波数的倍频转换。
11.温度为25℃时，在i型准相位匹配情况下，周期极化铌酸锂器件的极化周期为-20.3024μm(略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期)时，可以实现40光波数倍频转换，如图1(a)所示。而该器件的极化周期为-20.2842μm(群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期)时，只能实现26光波数倍频转换，如图1(b)所示。该器件的极化周期为-20.2962μm(略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期)时，也只能实现36光波数倍频转换，如图1(c)所示。
12.可实现倍频转换光波数与温度的关系。在i型准相位匹配情况下，通过设计周期极化铌酸锂器件极化周期，可实现不同温度下密集光波复用系统的宽带倍频转换。调节周期极化铌酸锂器件的温度可以实现群速度匹配波长的调谐，群速度匹配波长以及对应的准相位匹配晶体极化周期最终改变了密集光波复用系统光波归一化转换效率和可实现倍频转换光波数。
13.在i型准相位匹配情况下，周期极化铌酸锂器件的极化周期为群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期时，随着温度由-20℃到-3℃，可实现倍频转换光波数由20增加到41，温度由-3℃到15℃，可实现倍频转换光波数稳定在41，温度由15℃到42℃，可实现倍频转换光波数由41减少到0，如图2(a)所示。当温度由-3℃变化到15℃时，可实现最多的光波数倍频转换，其中温度由-3℃变化到6℃，平均归一化转换效率由0.9169增加到0.9813，温度由6℃变化到15℃，平均归一化转换效率由0.9813减少到0.9051，如图2(b)所示。温度为-20℃，极化周期为-17.2415μm时，可实现20光波数倍频转换，如图2(c)所示；温度为-3℃，极化周期为-18.2357μm时，可实现41光波数倍频转换，如图2(d)所示；温度为6℃，极化周期为-18.8321μm时，可实现41光波数倍频转换，且此时平均归一化转换效率为0.9813，如图2(e)所示；温度为15℃，极化周期为-19.4847μm时，可实现41光波数倍频转换，如图2(f)
所示；温度为50℃，极化周期为-22.7076μm时，可实现0光波数倍频转换，如图2(g)所示。
14.在i型准相位匹配情况下，周期极化铌酸锂器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.75)时，随着温度由-20℃到-11℃，可实现倍频转换光波数由29增加到41，温度由-11℃到21℃，可实现倍频转换光波数稳定在41，温度由21℃到49℃，可实现倍频转换光波数由41减少到0，如图3(a)所示。当温度由-11℃变化到21℃时，可实现最多的光波数倍频转换，其中温度由-11℃变化到-7℃，平均归一化转换效率由0.8538增加到0.8703，温度由-7℃变化到6℃，平均归一化转换效率由0.8703减少到0.8261，温度由6℃变化到18℃，平均归一化转换效率由0.8261增加到0.8700，温度由18℃变化到21℃，平均归一化转换效率由0.8700减少到0.8593，如图3(b)所示。温度为-20℃，极化周期为-17.2502μm时，可实现29光波数倍频转换，如图3(c)所示；温度为-11℃，极化周期为-17.7569μm时，可实现41光波数倍频转换，如图3(d)所示；温度为-7℃，极化周期为-17.9965μm时，可实现41光波数倍频转换，且此时平均归一化转换效率为0.8703，如图3(e)所示；温度为21℃，极化周期为-19.9659μm时，可实现41光波数倍频转换，如图3(f)所示；温度为50℃，极化周期为-22.7226μm时，可实现0光波数倍频转换，如图3(g)所示。
15.在i型准相位匹配情况下，周期极化铌酸锂器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.5)时，随着温度由-20℃到-14℃，可实现倍频转换光波数由33增加到41，温度由-14℃到24℃，可实现倍频转换光波数稳定在41，温度由24℃到51℃，可实现倍频转换光波数由41减少到0，如图4(a)所示。当温度由-14℃变化到24℃，可实现最多的光波数倍频转换，其中温度由-14℃到6℃，平均归一化转换效率由0.7835减少到0.5951，温度由6℃到24℃，平均归一化转换效率由0.5951增加到0.7833。如图4(b)所示。温度为-20℃，极化周期为-17.2547μm时，可实现33光波数倍频转换，如图4(c)所示；温度为-14℃，极化周期为-17.5879μm时，可实现41光波数倍频转换，如图4(d)所示；温度为-14℃，极化周期为-17.5879μm时，可实现41光波数倍频转换，且此时平均归一化转换效率为0.7835，如图4(e)所示；温度为24℃，极化周期为-20.2185μm时，可实现41光波数倍频转换，如图4(f)所示；温度为50℃，极化周期为-22.7304μm时，可实现2光波数倍频转换，如图4(g)所示。
16.一种用于密集光波复用系统的宽带倍频系统，主要由光纤、周期极化铌酸锂器件、温度控制器构成。密集光波复用系统光波通过光纤进入周期极化铌酸锂器件，周期极化铌酸锂器件受温度控制器控制温度，倍频之后的光波通过光纤从周期极化铌酸锂器件输出。
17.本发明在i型准相位匹配情况下，通过设计周期极化铌酸锂器件极化周期，可实现不同温度下密集光波复用系统的宽带倍频转换。在温度为25℃，器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期时，可以实现最多的光波数倍频转换，如图1(a)所示。在温度为6℃，器件的极化周期为群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期时，可以实现最多的光波数倍频转换，而且平均归一化转换效率达到0.9813，如图2(b)所示。
附图说明
18.图1(a)是在i型准相位匹配情况下，温度为25℃，周期极化铌酸锂器件的极化周期
为-20.3024μm时，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
19.图1(b)是在i型准相位匹配情况下，温度为25℃，周期极化铌酸锂器件的极化周期为-20.2842μm时，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
20.图1(c)是在i型准相位匹配情况下，温度为25℃，周期极化铌酸锂器件的极化周期为-20.2962μm时，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
21.图2(a)是在i型准相位匹配情况下，周期极化铌酸锂器件的极化周期为群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期时，可实现倍频转换光波数随温度变化的关系图。
22.图2(b)是在i型准相位匹配情况下，周期极化铌酸锂器件的极化周期为群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期时，可实现倍频转换光波数达到41时，平均归一化转换效率随温度的变化关系图。
23.图2(c)是温度为-20℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
24.图2(d)是温度为-3℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
25.图2(e)是温度为6℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
26.图2(f)是温度为15℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
27.图2(g)是温度为50℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
28.图3(a)是在i型准相位匹配情况下，周期极化铌酸锂器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.75)时，可实现倍频转换光波数随温度变化的关系图。
29.图3(b)是在i型准相位匹配情况下，周期极化铌酸锂器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.75)时，可实现倍频转换光波数达到41时，平均归一化转换效率随温度的变化关系图。
30.图3(c)是温度为-20℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
31.图3(d)是温度为-11℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
32.图3(e)是温度为-7℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
33.图3(f)是温度为21℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
34.图3(g)是温度为50℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
35.图4(a)是在i型准相位匹配情况下，周期极化铌酸锂器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.5)时，可实现倍频转换光波数随温度变化的关系图。
36.图4(b)是在i型准相位匹配情况下，周期极化铌酸锂器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.5)时，可实现倍频转换光波数达到41时，平均归一化转换效率随温度的变化关系图。
37.图4(c)是温度为-20℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
38.图4(d)是温度为-14℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
39.图4(e)是温度为-14℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
40.图4(f)是温度为24℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
41.图4(g)是温度为50℃，密集光波复用系统光波归一化倍频转换效率图。
42.图5是用于密集光波复用系统的宽带倍频系统示意图。
具体实施方式
43.本发明对周期极化铌酸锂器件采用准相位匹配技术在倍频基础上实现了密集光波复用系统的宽带倍频转换。在实验过程中相位匹配采用准相位匹配技术，相比于其他相位匹配技术，准相位匹配显著特点是非线性转换效率高，对周期极化晶体整个透光范围内的任意波长的光波都可以实现相位匹配。
44.设计周期极化铌酸锂器件的极化周期。在准相位匹配条件下，如果相位失配量δk
qpm
在一定波长范围内保持较小的变化，那么在这个波长范围内的所有波长都可以实现高效的倍频变换，也就是δk
qpm
满足条件：相位失配量为两边同时对λ1求导得：由于群速度所以其中ν1、ν2分别为基波和倍频波的群速度。当满足时，(2)式里面有v1＝v2(3)。根据(3)式便可以得到群速度匹配波长，再将群速度匹配波长代入(1)式就可以得到周期极化铌酸锂器件的极化周期，所以在群速度匹配波长附近同时满足准相位匹配条件和群速度匹配条件时，就可以实现宽带倍频转换。
45.配置用于密集光波复用系统的宽带倍频系统，整个系统主要由光纤、周期极化铌酸锂器件、温度控制器构成，具体情况如图5所示。
46.密集光波复用系统的宽带倍频转换过程。基于准相位匹配技术的宽带倍频转换的归一化转换效率η与sin c2(δk
qpm
l/2)有正相关关系，可表示为η
∝
sin c2(δk
qpm
l/2)，其中δk
qpm
为相位失配量，l为晶体的长度，在实验模拟计算中l的长度一般取10mm。设计周期极化铌酸锂器件的极化周期为群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期后，其他参数不变，改变基波波长，使得sin c2(δk
qpm
l/2)＝1/2，定义宽带倍频转换的带宽范围为转换效率下降至最大值(归一化后就是1)的1/2时所对应的基波波长的变化范围。可实现倍频转换的光波位于带宽范围内，此密集光波复用系统光波归一化转换效率满足sinc2(δk
qpm
l/2)≥1/2。在倍频变换中，由于晶体材料色散效应的作用，基波和倍频波在传播时具有不同的相速度，如果相位差超过π的话，倍频波的振幅就会减小，转换效率就会降低。准相位匹配利用极化率的周期跃变引入了额外的π相位对原有相位不匹配情况进行补偿，使得相位失配量δk
qpm
＝0，人为的使能量从基波往倍频波持续流动。满足相位匹配条件后，在固定温度条件下，群速度匹配波长处能量不断传递给倍频波，倍频波能量不断增加，从而实现高效率的转换，因此群速度匹配波长归一化转换效率为1，在群速度匹配波长附近相位失配量δk
qpm
的变化较为缓慢，也是能实现高效率的倍频转换，因此在群速度匹配波长附近就实现了多光波数的宽带倍频转换。倘若周期极化铌酸锂器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期，宽带倍频转换也是如此，不同之处在于群速度匹配波长归一化转换效率小于1。在一些温度条件下，将器件的极化周期设计为略微偏移群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期，可以实现更多光波数的宽带倍频转换。在25℃，周期极化铌酸锂器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.5)时，可实现最多的光波数倍频转换，如图1(a)所示。
47.对于周期极化铌酸锂器件，器件温度的改变会引起基波和倍频波的折射率发生变
化，其折射率方程如下：f＝(t-24.5℃)(t+570.82℃)其中f为温度系数，λ为计算中的基波或倍频波波长，t为温度。
48.基波和倍频波在器件中的折射率n变化会导致群速度匹配波长和与之对应的准相位匹配晶体极化周期改变，最终会改变可实现倍频转换光波数。根据群速度和折射率方程可知，群速度v与折射率n有关，折射率n是关于温度t的函数，所以温度的变化会改变群速度匹配波长，极化周期，密集光波复用系统光波归一化转换效率以及可实现倍频转换光波数。
49.改变周期极化铌酸锂器件的温度，通过设计周期极化铌酸锂器件的极化周期可以实现最多的光波数倍频转换。在固定温度条件下，将折射率方程代入式(3)就可以获得群速度匹配波长，根据式(1)可得到群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期。改变器件的温度，在温度由-3℃变化到15℃，器件的极化周期为群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期时，可实现最多的光波数倍频转换，如图2(a)所示。在温度由-11℃变化到21℃，器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.75)时，可实现最多的光波数倍频转换，如图3(a)所示。在温度由-14℃变化到24℃，器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.5)时，可实现最多的光波数倍频转换，如图4(a)所示。
50.在可实现最多的光波数倍频转换的基础上，探究平均归一化转换效率归一化转换效率可表示为η
∝
sinc2(δk
qpm
l/2)，而平均归一化转换效率是在固定温度条件下，将所有可实现倍频转换的光波的归一化转换效率累加起来，再除以可实现倍频转换光波数，可表示为：其中ηk为第k个可实现倍频转换的光波的归一化转换效率，m为可实现倍频转换光波数。在温度为6℃，周期极化铌酸锂器件的极化周期为群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期时，不仅可实现最多的光波数倍频转换，而且平均归一化转换效率为0.9813，如图2(b)所示。在温度为-7℃，周期极化铌酸锂器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.75)时，不仅可实现最多的光波数倍频转换，而且平均归一化转换效率为0.8703，如图3(b)所示。在温度为-14℃，周期极化铌酸锂器件的极化周期为略微偏离群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期(群速度匹配波长归一化转换效率为0.5)时，不仅可实现最多的光波数倍频转换，而且平均归一化转换效率为0.7835，如图4(b)所示。通过比较可以发现在i型准相位匹配情况下，温度为6℃，周期极化铌酸锂器件的极化周期为群速度匹配波长对应准相位匹配晶体极化周期时，可实现最多的光波数倍频转换且平均归一化转换效率达到0.9813。
51.本发明通过以上设计，在i型准相位匹配情况下，改变温度控制器的温度，设计周期极化铌酸锂器件极化周期，实现了密集光波复用系统的宽带倍频转换。