一种波长转换器，包括： 具有由频率调制的周期性调制结构的非线性光学介质，所述由频率调制的周期性调制结构由调制单元结构和频率调制结构组成，所述调制单元结构具有这样一种结构，其中非线性光学系数在光的行进方向中以近似等于基本周期Λ↓［０］的周期近乎连续地变化，所述频率调制结构则具有这样一种结构，其中调制单元结构被以长于所述基本周期Λ↓［０］的频率调制周期Λ↓［ｆ］重复；以及 用于将光发射到非线性光学介质上的装置，所述光具有三个波长值λ↓［１］、λ↓［２］、λ↓［３］之中的一个或两个波长值，包括λ↓［１］＝λ↓［２］的情况在内，所述三个波长值λ↓［１］、λ↓［２］、λ↓［３］满足下述公式， １／λ↓［３］＝１／λ↓［１］＋１／λ↓［２］ 其特征在于， 所述波长转换器利用在非线性光学介质中发生的二次非线性光学效应，将输入光转换成输出光，所述输出光的波长值等于所述三个波长值中的一个，并且与入射光的至少一个波长值不同。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种波长转换器以及波长转换设备，特别涉及这样一种波长转换器和泵浦波长可变型的波长转换设备，它们能够被设计用于处理给定数目的泵浦波长(pump wavelength)，能够避免转换效率的降低，并且能够利用实用尺寸的非线性光学材料而被简单地构成。
技术介绍
通常，已知的波长转换器以及使用波长转换器的波长转换设备利用了各种各样的二次非线性光学效应。例如，二次谐波发生设备可将入射光转换为具有一半初始波长值(即两倍频率)的光(二次谐波)。和频率产生设备可以将具有不同波长值的两束光转换成频率为所述两束光的频率之和的一束光。另一方面，差频发生设备可以将具有不同波长值的两束光转换成频率为所述两束光的频率之差的一束光。此外，当入射光束中的一束与另一束相比足够大时，则差频发生设备可被配置成光放大器以利用参量效应放大入射光的强度。通过对利用参量效应的参量谐振器进行配置，差频发生设备还可被用作波长可调谐的光源。接下来将以利用二次非线性光学效应的差频发生器为例对传统波长转换器的工作原理进行简要说明。这些转换器通过将波长为λ1的信号光入射到受到波长为λ3的泵浦光的泵浦作用的非线性光学介质中，从而将波长为λ1的信号光转换为波长为λ2的闲频光(idler light)。这三种波长的关系(包括λ1＝λ2的情况)可由下述公式表示。1λ3=1λ1+1λ2---(1)]]>人们已经研究开发出多种可作为非线性介质的材料用以实现这类器件(element)。就器件结构而言，所谓“准相位匹配型结构”被认为是有前途的，例如，M.H.Chou等人的论文(Optics Letters，Vol.23，p.1004(1998))中就披露过该结构。该论文中所述的结构能够使诸如LiNbO3的二次非线性光学材料以均匀的周期长度而周期性地改变(调制)其非线性光学系数。附图说明图1A和1B的示意图用于说明应用二次非线性光学效应的传统波长转换器(差频发生器)；图1A概念性地示出了波长转换器的结构。图1B示出了转换效率与相位失配量之间的关系。可以采用下述方法在二次非线性光学材料中建立准相位匹配型结构第一，通过在空间上交替地反转材料的非线性光学系数的正负号而实现周期性调制的方法；第二，通过交替设置具有大的非线性光学系数的片段(segment)和小的非线性光学系数的片段而实现周期性调制的方法。对于诸如LiNbO3的铁电晶体而言，非线性光学系数(常量d)的正负号对应于自发极化的极性。因此，在图1A所示的波长转换器中，通过利用质子交换方法并以调制周期(非线性光学系数的调制周期)Λ0＝14.75μm对LiNbO3的自发极化进行周期性的反转，并由此调制非线性光学系数，就可以在非线性光学介质(LiNbO3衬底11)中形成光波导12。信号光13和泵浦光15通过多路复用器17被提供给波长转换器。波长转换器可以在0.78μm频带的泵浦光15的作用下实现对1.55μm频带的信号光13的波长转换。在这样的波长转换器中，相位失配量Δβ由下式给出。Δβ=2π·(n3λ3-n2λ2-n1λ1)---(2)]]>其中n1是LiNbO3针对波长为λ1的信号光13的折射率；n2是针对波长为λ2的闲频光(差频光)14的折射率；n3是针对波长为λ3的泵浦光15的折射率；而Λ0则是非线性光学系数的调制周期。转换效率η通过利用相位失配量Δβ而由下式给出。η=ηmax·{sin[(Δβ-2πΛ0)·L2][(Δβ-2πΛ0)·L2]}2---(3)]]>其中L是非线性光学介质在波导方向上的长度。因此，当相位失配量Δβ为2π/Λ0时，波长转换器的转换效率η取最大值。例如，假定信号光13的波长λ1固定不变。在这种假设情况下，符合“准相位匹配条件”(其中由前述公式(2)得到的相位失配量Δβ变为2π/Λ0)的泵浦光15的波长将取决于非线性光学介质折射率的色散，并且如果调制周期Λ0被给定就可以唯一确定该波长。依据前述公式(2)和(3)可知，改变泵浦光15的波长使其移开满足“准相位匹配条件”的准相位匹配波长值，将使转换效率η减小。图1B用于说明转换效率η与相位失配量Δβ之间的依存关系，其中转换效率η是依照将最大值设定为1的方式而进行了归一化处理的。假定由LiNbO3构成的波长转换器的光波导12的长度为42mm。则，其中转换效率η变为其最大值的一半的相位失配量Δβ的频带非常窄，在泵浦光波长的频带为0.78μm的情况下所述相位失配量Δβ的频带约为0.1nm。从前述公式(1)可以清楚地知道，要将信号光13的波长λ1转换为具有给定波长值(λ2′)的差频光，就需要多个具有不同波长值的泵浦光光束。但是，在如图1A所示的传统调制结构中，非线性光学系数以均匀的周期作周期性地变化，由于泵浦光波长的可容许范围比较窄，所以传统的调制结构基本上不能改变泵浦光的波长值。作为结果，它不能实现具有给定波长值的差频光。接下来，为了应对多个不同的泵浦光波长，还可以采用这样一种方法。在这种方法中，具有多个不同调制周期的多个调制结构被沿纵向顺序放置。但是，当非线性光学介质的总长度固定时，各调制周期中使用的非线性光学介质的长度将减短。通常，应用二次非线性光学效应的波长转换器的转换效率η正比于非线性光学介质长度的平方值。因此，与使用具有相同长度的非线性光学介质的情况相比，设置四种类型的调制周期将使转换效率η减小到6.25％。为了构成能够处理多个泵浦光波长的波长转换器，M.H.Chou等人(Optics Letters，Vol.24，p.1157(1999))提出了一种为周期性调制结构配备相位反转结构的方法。图2A和2B示出了一种能够通过为周期性调制结构配备相位反转结构以处理多个泵浦光波长的传统波长转换器。图2A的俯视图示意性地说明了波长转换器的结构。图2B则是图2A的局部放大图。此外，图3A-3F示出了波长转换器中相位反转的特性以及转换效率与相位失配量之间的关系曲线。与图1A中所示的波长转换器一样，波长转换器通过质子交换方法在用做非线性光学介质的LiNbO3衬底21中形成光波导22，并且通过以基本调制周期Λ0＝14.75μm对LiNbO3的自发极化进行周期性地反转，由此调制非线性光学系数。更具体地说，波长转换器通过以一个较长的均匀周期Λph将具有固定的基本周期Λ0(基本调制周期14.75μm)的极化反转结构的相位反转180度，从而形成一个相位反转结构，并由此使转换效率η能够在多个相位失配量Δβ处具有峰值。顺便提及，通过用具有0.78μm频带中的波长λ3的泵浦光25经由多路复用器27本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：遊部雅生，忠永修，宫泽弘，西田好毅，铃木博之，
申请(专利权)人：日本电信电话株式会社，
类型：发明
国别省市：
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