CN1267785C - 波长转换器及波长转换设备 - Google Patents

Abstract

一种波长转换器具有由相位调制的周期性调制结构，其中，非线性光学系数以基本周期Λ₀得到周期性的调制、调制相位近乎连续地改变、并且调制单元结构的相位变化被以周期Λ_ph(＞Λ₀)重复。当相位失配量Δβ等于2π/Λ₀±2πi/Λ_ph(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)、2π/Λ₀±2π(2i+1)/Λ_ph(i＝0，1，...，n)或者2π/Λ₀+2πi/Λ_ph(i＝m，m+1，...，n，其中m和n为正整数或负整数，且满足|m|≠|n|)时，转换效率达到最大值。因此本发明所提供的波长转换器和波长转换设备能够处理所需数目的泵浦波长、避免转换效率降低、以及利用实用尺寸的非线性光学材料而被简单地构成。

Description

波长转换器及波长转换设备

发明领域

本发明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。

背景技术

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。

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_3}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}---\left(1\right)$

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。

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。

$\mathrm{\Δ\β}=2\mathrm{\π}\·(\frac{n_3}{{\mathrm{\λ}}_3}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1})---\left(2\right)$

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。

$\mathrm{\η}={\mathrm{\η}}_{\max }\·{\left\{\frac{\sin [(\mathrm{\Δ\β}-\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0})\·\frac{L}{2}]}{[(\mathrm{\Δ\β}-\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_0})\·\frac{L}{2}]}\right\}}^2---\left(3\right)$

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Λ_ph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入射，波长转换器也能实现将经由同一多路复用器27入射的具有1.55μm频带中的波长λ₁的信号光23的波长转换成波长为λ₂的差频光24。

图3A示出了具有极化反转结构的非线性光学介质的纵向方向中的相位变化，所述极化反转结构具有相位反转周期Λ_ph为14mm的相位反转以及50％的占空因数。图3B示出了转换效率与相位失配量之间的关系曲线，该关系曲线相对于使用与图1A所示的长度相同但不具有相位反转结构的非线性光学介质的波长转换器的转换效率而得到归一化数据处理。在该波长转换器中，其中形成极化反转的光波导的长度为42mm。

如图3B所示，转换效率在相位失配量Δβ为{(2π/Λ₀)-(2π/Λ_ph)}和{(2π/Λ₀)+(2π/Λ_ph)}时变得最大，这表明这两个泵浦波长可被用于波长转换。

此外，如图3C和3D所示，设若周期Λ_ph为7mm且设定相位反转的占空因数为26.5％，则当相位失配量Δβ等于{(2π/Λ₀)-(2π/Λ_ph)}、(2π/Λ₀)和{(2π/Λ₀)+(2π/Λ_ph)}时转换效率最大，由此使得波长转换能够使用这三个泵浦波长。

再有，如图3E和3F所示，将周期为Λ_ph和2Λ_ph的两个相位反转迭加，则当相位失配量Δβ等于{(2π/Λ₀)-(6π/Λ_ph)}、{(2π/Λ₀)-(2π/Λ_ph)}、{(2π/Λ₀)+(2π/Λ_ph)}以及{(2π/Λ₀)+(6π/Λ_ph)}时转换效率最大。因此，每隔4π/Λ_ph间隔可以得到四个峰值，由此使得波长转换能够使用这四个泵浦波长。

但是，具有前述结构的传统波长转换器存在下述问题。

第一，如图3F所示具有四个峰值的结构的归一化转换效率除了所需要的波长之外还产生许多假的副峰。结果导致波长转换器的转换效率减小到17％。

第二，为了在很窄的泵浦波长间隔上得到转换效率的峰值就不可避免地需要长的相位反转结构。因此它带来了如下问题，即，在广泛使用的3-4英寸的衬底上放置相位反转周期受到了限制。

在泵浦波长处于0.78μm频带的情况下，图3A、3C和3E中的相位匹配曲线的峰间间隔都是0.8nm，这意味着泵浦波长可在400GHz的间隔上变化。更具体地说，由公式(1)的关系式可知，改变泵浦光波长将致使闲频光的波长改变，闲频光的波长改变量相应于泵浦光波长的改变量，这意味着闲频光的波长可在400GHz的间隔上改变。

考虑到在波分复用器(WDM)通信中的应用，它需要的是具有诸如200GHz和100GHz的较窄间隔的器件。例如，如图3F所示具有四个峰值的结构的归一化转换效率可以通过增大相位反转周期而使峰间间隔变窄，这是因为对于相位反转周期Λ_ph而言，相位失配量Δβ每隔4π/Λ_ph的间隔就具有一个转换效率峰值。考虑到LiNbO₃光波导控制的是具有200GHz或100GHz的间隔的泵浦波长的情况，这四个泵浦波长所需要的相位反转周期将变得非常长，例如为28mm和56mm。

第三，尽管在如上所述的文献中披露了通过对相位反转图案进行叠加来处理数目为1至4个的泵浦光波长的方法，但是处理其它数目的泵浦光波长的方法还是未知的。因此，很难对所需数目的泵浦光波长进行灵活的处理。

发明内容

作为对能够高效、多波长泵浦的器件结构的研究结果，本发明的发明人发现了一种器件结构，该器件结构能够在不大量损失效率的情况下处理所需数目的泵浦波长，它是通过将一种其中连续的频率调制结构或相位调制结构被以均匀的周期重复的结构引入到非线性光学系数的周期性调制结构当中并且通过对频率调制结构或相位调制结构的调制曲线进行优化而得到实现的。该器件结构可提供一种波长转换器以及泵浦波长可变型波长转换设备，其能够处理所需数目的泵浦光波长，并且能够避免转换效率的降低，而且能够利用非线性光学材料的实用尺寸而被简单地构成。

根据本发明的第一个方面所述，本发明提供了一种波长转换器，其包括：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，所述调制单元结构近乎连续地变化，它具有这样一种结构，其中非线性光学系数以近似等于基本周期Λ₀的周期受到周期性的调制，所述频率调制结构具有这样一种结构，其中调制单元结构被以长于所述基本周期Λ₀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λ₁、λ₂、λ₃之中的一个或两个波长值，包括λ₁＝λ₂的情况在内，所述三个波长值λ₁、λ₂、λ₃满足下述公式，

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_3}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}---\left(4\right)$

其中，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，其中，确定所述基本周期Λ₀和所述频率调制周期Λ_f以及所述由频率调制的周期性调制结构的频率变化曲线以针对给定的相位失配量优化所述波长转换设备的转换效率。

根据本发明的第二个方面所述，本发明提供了一种波长转换器，其包括：具有由相位调制的周期性调制结构的非线性光学介质，所述由相位调制的周期性调制结构由调制单元结构和相位调制结构组成，所述调制单元结构近乎连续地变化，它具有这样一种结构，其中非线性光学系数以基本上等于基本周期Λ₀的周期受到周期性的调制，所述相位调制结构具有这样一种结构，其中调制单元结构的相位变化被以长于所述基本周期Λ₀的相位调制周期Λ_ph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λ₁、λ₂、λ₃之中的一个或两个波长值，包括λ₁＝λ₂的情况在内，所述三个波长值λ₁、λ₂、λ₃满足上述公式(4)，其中，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，其中，确定所述基本周期Λ₀和所述相位调制周期Λ_ph以及所述由相位调制的周期性调制结构的相位变化曲线以针对给定的相位失配量优化所述波长转换设备的转换效率。

根据本发明的还有一个方面所述，本发明提供了一种波长转换设备，其包括：泵浦源，它能够改变其振荡波长或者能够在多个振荡波长之间切换；以及根据本发明所述的波长转换器，其中所述波长转换器被配置成能够通过由外部提供的输入信号光和由所述泵浦源提供的入射光而在所述非线性光学介质中生成差频光；并且能够通过选择具有可使差频光的生成效率达到最大的相位失配量的泵浦光的波长来转换差频光的波长值。

根据本发明的第一个方面所述，可利用这样的方式来确定相位失配量Δβ，即，当相位失配量Δβ为2π/Λ₀±2πi/Λ_f(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)，2π/Λ₀±2π(2i+1)/Λ_f(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)，或2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，...，n，其中m和n为正整数或负整数，且满足|m|≠|n|)时，转换效率将达到最大值。这种方式使得提供这样的波长转换器以及波长转换设备成为可能，它们可被设计成能够处理所需数目的泵浦波长，能够避免转换效率的降低，并且能够利用非线性光学材料的实用尺寸而被简单地构成。

根据本发明的第二个方面所述，可利用这样的方式确定相位失配量Δβ，即，当相位失配量Δβ为2π/Λ₀±2πi/Λ_ph(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)，2π/Λ₀±2π(2i+1)/Λ_ph(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)，或2π/Λ₀+2πi/Λ_ph(i＝m，m+1，...，n，其中m和n为正整数或负整数，且满足|m|≠|n|)时，转换效率将达到最大值。这种方式使得提供这样的波长转换器以及波长转换设备成为可能，它们可被设计成能够处理所需数目的泵浦波长，能够避免转换效率的降低，并且能够利用非线性光学材料的实用尺寸而被简单地构成。

通过下面结合附图对本发明实施例所做的描述，本发明的上述与其它的目的、效果、特征以及优点将变得更加清楚。

附图的简要说明

图1A的示意图示出了应用二次非线性光学效应的传统波长转换器(差频发生器)的结构；

图1B示出了在图1A所示的波长转换器中转换效率与相位失配量之间的关系曲线；

图2A的俯视示意图示出了通过为周期性调制结构提供相位反转结构而能够处理多个泵浦光波长的传统波长转换器的结构；

图2B是图2A所示波长转换器的局部放大图；

图3A-3F示出了图2A所示波长转换器中的相位反转特性以及转换效率与相位失配量之间的关系曲线；

图4A和4B的示意图示出了本发明所述的波长转换器的第一种结构；

图5A-5D示出了根据本发明所述能够处理多种泵浦波长数目的波长转换器的频率变化曲线以及转换效率与相位失配量变化之间的关系曲线；

图6A示出了在本发明所述波长转换器的第一个实施例中使用的非线性光学系数的调制结构之中的周期变化曲线；

图6B示出了在本发明所述波长转换器的第一实施例中，当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所获得的归一化的转换效率；

图6C示出了在本发明所述波长转换器的第一实施例中，当输入信号光和泵浦光时的1.55μm频带信号以及闲频光的频谱；

图7A示出了在本发明所述波长转换器的第二个实施例中使用的非线性光学系数的调制结构之中的周期变化曲线；

图7B示出了在本发明所述波长转换器的第二实施例中，当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所获得的归一化的转换效率；

图7C示出了在本发明所述波长转换器的第二实施例中，当输入信号光和泵浦光时的1.55μm频带信号、泵浦光以及闲频光的频谱；

图8A示出了在本发明所述波长转换器的第三个实施例中使用的非线性光学系数的调制结构之中的周期变化曲线；

图8B示出了在本发明所述波长转换器的第三实施例中，当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所获得的归一化的转换效率；

图8C示出了在本发明所述波长转换器的第三实施例中，当输入信号光和泵浦光时的1.55μm频带闲频光的频谱；

图9A示出了在本发明所述波长转换器的第四个实施例中使用的非线性光学系数的调制结构之中的周期变化曲线；

图9B示出了在本发明所述波长转换器的第四实施例中，当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所获得的归一化的转换效率；

图10的框图示出了包含有本发明所述波长转换器的波长转换设备的第一种结构；

图11A和11B的示意图示出了本发明所述波长转换器的第二种结构；

图12A-12C示出了图11A所示差频发生器的非线性光学介质的二次非线性光学系数的相位调制结构的详细情况；

图13A-13D示出了本发明所述能够处理多种泵浦波长数目的波长转换器的转换效率与相位失配量之间的曲线关系以及相位调制曲线的例子；

图14A-14C示出了本发明所述波长转换器的第六个实施例的各种特性；

图15A示出了本发明所述波长转换器的第七个实施例中的相位调制曲线；

图15B示出了在本发明所述波长转换器的第七实施例中，当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所获得的归一化的转换效率；

图15C示出了在本发明所述波长转换器的第七实施例中的1.55μm频带信号、泵浦光以及闲频光的频谱；

图16A示出了本发明所述波长转换器的第八个实施例中的相位调制曲线；

图16B示出了在本发明所述波长转换器的第八实施例中，当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所获得的归一化的转换效率；

图16C示出了在本发明所述波长转换器的第八实施例中的1.55μm频带闲频光的频谱；

图17A示出了本发明所述波长转换器的第九个实施例中的相位调制曲线；

图17B示出了在本发明所述波长转换器的第九实施例中，当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所获得的归一化的转换效率；

图18的框图示出了包含有本发明所述波长转换器的波长转换设备的结构。

优选实施例的详细描述

现在将参照附图对本发明的实施例进行描述说明。本说明书中使用的术语“波长转换器(以及波长转换设备)”不仅指得是波长转换器(以及波长转换设备)，而且在当波长转换器(以及波长转换设备)具有光放大功能时，它还指得是指光放大器(以及光放大设备)。

(波长转换器的第一种结构)

图4A和4B的示意图示出了本发明所述波长转换器的第一种结构。以下将以差频发生器为例进行说明，所述差频发生器采用诸如LiNbO₃的铁电晶体用做非线性光学介质，它能够通过反转极化方向从而使非线性光学系数的正负号反转。

波长转换器具有非线性光学介质，所述非线性光学介质中入射有波长值为满足前述公式(1)的三个波长值(λ₁、λ₂与λ₃，包含λ₁＝λ₂的情况)之中的λ₃与λ₁的光束。因此，波长转换器通过在非线性光学介质中发生的二次非线性光学效应而转换出波长值为λ₂的输出光。

如图4A所示，波长转换器在非线性光学材料衬底41中形成有光波导42。它通过周期性地反转非线性光学介质的自发极化方向从而对非线性光学系数进行调制，并且利用波长为λ₃的泵浦光45将波长为λ₁的信号光43转换为波长值为λ₂的闲频光44。

在这种波长转换器中，非线性光学系数的调制周期在非线性光学介质的纵向方向(光行进的方向)中受到近似于周期性的调制。这种波长转换器具有一个“调制单元结构”(见图4B)，所述“调制单元结构”在光波导42的方向中以接近于基本(反转)周期Λ₀(即，基本周期Λ₀以及近似等于基本周期Λ₀的周期Λ₀′、Λ₀″等等)而近似连续地(逐渐地)变化。另外，非线性光学介质具有一个“频率调制结构”(见图4A)，即，调制单元被以长于基本(反转)周期Λ₀的“频率调制周期Λ_f”重复，由此构成“周期性调制的频率调制结构”。通过将波长为λ₁的信号光43和波长为λ₃的泵浦光45经由多路复用器47输入到由具有“周期性调制的频率调制结构”的非线性光学介质构成的光波导42中，就可以在由泵浦光45在非线性光学介质中引起的二次非线性光学效应的作用下，产生波长值为λ₂的闲频光44，闲频光44的波长值λ₂与信号光43的波长值λ₃不同。

尽管图4A所示的光波导型结构，其在非线性光学介质中具有很强的光学限制效应并且能够获取长距离的相互作用，用以获取较高的波长转换效率，但是它并不是必需的。例如，用于对高能量的激光波长进行转换的转换器可以采用整体(bulk)型结构。

接下来将对用于设定频率变化曲线的方法进行说明。假设d(z)代表在光行进方向轴上的z处的非线性光学系数，且假设给出的光波导为从z＝0到z＝L。那么，通过下列关于相位失配量Δβ的公式可以给出在泵浦光与信号光传播通过光波导(z＝L)之后的转换效率η。

$\mathrm{\η}\left(\mathrm{\Δ\β}\right)\∝|\underset{0}{\overset{L}{\∫}}d\left(z\right)\exp (-\mathrm{i\Δ\βz})\mathrm{dz}{|}^2---\left(5\right)$

通过得到非线性光学系数的空间变量d(z)而后对d(z)进行傅立叶变换，就可以利用上述公式计算出转换效率η关于相位失配量Δβ的变化。根据本发明所述，非线性光学系数每Λ₀个周期都受到调制，并且周期性调制的“调制单元结构”进一步以另一个周期Λ_f受到调制。结果，在相位失配量Δβ距中心值2π/Λ₀每隔2π/Λ_f的位置上(Δβ＝2π/Λ₀，2π/Λ₀±2πi/Λ_f，2π/Λ₀±4πi/Λ_f，...)将出现转换效率η的峰值。

为了使所需数目的泵浦光波长达到最大效率，必须使所需峰较大而其它峰较小。例如，为了处理三个泵浦波长，则必须使三个峰值在Δβ＝2π/Λ₀与2π/Λ₀±2πi/Λ_f处最大。为了在L个峰值处得到最大效率，可执行下列步骤：第一，通过改变各个调制单元结构的频率变化曲线，以计算出非线性光学系数的空间变量d(z)；第二，对d(z)执行傅立叶变换，以得到所需峰处的转换效率；第三，计算由下列公式给出的测试函数T；以及最后，通过对所述测试函数T进行连续计算以使其达到最小，从而实现优化。

$T={\mathrm{\Σ}}_{j=0}^L{[\mathrm{\η}\left(j\right)-\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{norm}}}{L}]}^2---\left(6\right)$

其中η(j)是第j个峰值处的转换效率，η_norm则是具有同样长度的非线性光学介质但是未对非线性光学系数进行频率变换的波长转换器的转换效率。

通过对确定各种泵浦波长数目的非线性光学系数中的频率变化所进行的研究，本发明的发明人发现，本发明可以在不降低转换效率的情况下对所需数目的泵浦波长进行处理。

图5A-5D示出了根据本发明所述能够处理多种泵浦波长数目的波长转换器的频率变化曲线以及转换效率与相位失配量变化之间的关系曲线。在这些附图中，转换效率相对于具有相同长度的非线性介质并且其非线性光学系数以均匀周期得到调制的波长转换器的转换效率而得到了归一化处理。

例如，图5A与5B分别示出了与三个泵浦光波长相对应的波长转换器的频率变化曲线以及转换效率与相位失配量之间的关系曲线。如图5B所示，与如图3D所示的传统波长转换器的特性相比，转换效率与相位失配量之间的关系曲线的伪副峰值(spurious secondary peak)被减小，从而实现了30％的高转换效率。

通过利用前述方法适当地确定下列因子并进改变它们的形状，根据本发明所述的波长转换器就可以方便地处理所需数目的泵浦波长。这些因子为：“调制单元结构”中非线性光学系数的调制周期的基本周期Λ₀；“调制单元结构”的重复周期Λ_f；以及通过重复“调制单元结构”所形成的“频率调制结构”的频率变化曲线。确定周期Λ₀和Λ_f以及频率变化曲线的方法可随不同的目的而相应地变化。但是，在任何方法中，频率变化曲线的确定都是这样的，即，当相位失配量Δβ具有由周期Λ₀和Λ_f所决定的特定值时，转换效率具有局部最大值。

更具体地说，第一种方法确定如下，当相位失配量Δβ等于2π/Λ₀±2πi/Λ_f(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)时，转换效率呈现为局部最大值。第二种方法确定如下，当相位失配量Δβ等于2π/Λ₀±2π(2i+1)/Λ_f(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)时，转换效率呈现为局部最大值。第三方法确定如下，当相位失配量Δβ等于2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，...，n，其中m和n为正整数或负整数，且满足|m|≠|n|)时，转换效率呈现为局部最大值。

例如，可以通过确定如图5C所示的频率变化曲线，以构成能够处理四个泵浦光波长的波长转换器，图5C所示的频率变化曲线能够使转换效率在相位失配量等于如图5D所示的{(2π/Λ₀)-(2π/Λ_f)}、(2π/Λ₀)、{(2π/Λ₀)+(2π/Λ_f)}以及{(2π/Λ₀)+(4π/Λ_f)}时变为最大。

这样，根据本发明所述的波长转换器可以在相位失配量的每2π/Λ_f个间隔上获得四个峰值。因此，它能够利用具有传统结构的波长转换器的一半长度的周期性结构来实现泵浦波长的分隔。例如，假设通过质子交换方法在LiNbO₃中形成的光波导被用做非线性光学介质，非线性光学系数通过周期性地反转LiNbO₃的自发极化方向而得到调制，且图5A与5C中的周期Λ_f被确定为约14mm或28mm。在这种情况下，与相位匹配曲线的峰值相对应的有效泵浦波长的间隔将分别为200GHz和100GHz。换句话说，只需要传统波长转换器的一半重复周期就可得到同样的泵浦波长间隔。作为结果，根据本发明所述的波长转换器可以被方便地设置在直径为3-4英寸的通用衬底上。

如上所述，根据本发明所述的波长转换器采用“频率调制结构”作为非线性光学介质的结构，所述“频率调制结构”以周期Λ_f重复“调制单元结构”。在调制单元结构中，非线性光学系数的调制周期是以近乎连续的方式变化的。因此，这种波长转换器就可以处理所需数目的泵浦波长。另外，它可以抑制转换效率的降低，并且可以实现能够方便地利用实用尺寸的非线性光学介质构造泵浦波长的可变型波长转换器(以及使用泵浦波长可变型波长转换器的波长转换设备)。这些优点可以利用本发明所述波长转换器的结构而被首次实现。

接下来，将通过实施例1-5对根据本发明所述波长转换器的第一种结构进行更加详细的说明。

(实施例1)

图6A-6C示出了本发明所述波长转换器的第一个实施例的非线性光学系数的调制结构和工作特性。这种波长转换器被配置成能够接收具有0.78μm频带的波长值的泵浦光，并且能够将具有1.55μm频带的波长值的信号光转换为差频光。这里，图6A示出了本实施例中使用的非线性光学系数的调制结构之中的周期变化曲线；图6B示出了当利用频带为1.55μm的波长可调光源进行SHG特性评测时所得到的归一化的转换效率；图6C则示出了当输入信号光和泵浦光时1.55μm频带闲频光的频谱。

该波长转换器使用Z向切割(以垂直于Z轴的方向切割的衬底)的LiNbO₃衬底。其极化反转部分通过施加电场的方法受到了基本周期约为15.5μm的极化反转(因此“极化反转周期”约为15.5μm)。在以这种方式进行了极化反转处理的衬底上，SiO2图案通过光刻法被形成。然后，它被浸入至温度大约为180度的苯甲酸中，然后通过在氧气环境中进行退火而形成光波导。按照这种方式构成的波长转换器可以处理五个泵浦波长。

接下来将对极化反转部分进行更为详细的说明。波长转换器的极化反转部分具有下述结构：频率调制周期Λ_f(即调制单元结构的重复周期)为14.26mm；极化反转部分的总长度为57.04mm；频率变化模式被重复四个周期(＝57.04mm/14.26mm)；并且属于频率变化模式的一个周期的极化反转结构的数目约为920个周期(＝14.26mm/15.5μm)。本实施例是如此配置的，它通过将周期约为15.5μm的极化反转结构的周期两两划分，从而将频率变化周期划分为大约460个子区段，并且通过对每个极化反转结构单元的周期进行优化处理，从而在五个泵浦波长处得到最大转换效率。结果是，如图6A中描绘的周期变化曲线所示，生成的频率变化使得极化反转周期值在一个频率调制周期内围绕中心点15.5μm平滑地变化。

对于本实施例中使用的具有极化反转结构的LiNbO₃衬底来说，将光刻胶施加到衬底的+Z平面上，然后利用光刻法形成图案。然后电极被蒸发(evaporate)到衬底上，并且电场通过电解液被施加在衬底的两表面上，从而使电极直接接触的衬底区域产生极化反转。这里，发生极化反转的区域的宽度稍稍宽于电极的宽度。因此，设计用于光刻法处理的掩模时必须考虑到该宽度差。在本实施例中，当计算出理想的频率变化的极化反转结构之后，考虑到反转域宽度的增大，所以设计掩模应使光刻胶的宽度宽一些。

图6B中的横轴代表了波长转换器产生的0.78μm频带的二次谐波波长。另一方面，纵轴代表了转换效率，所述转换效率相对于包括具有相同长度57.04mm的极化反转部分并且在极化反转部分具有15.5μm的均匀周期的极化反转结构的波长转换器的转换效率而得到归一化处理。从该图中所示结果可以估计出当0.78μm频带的泵浦光被输入到波长转换器中以导致产生差频光时，转换效率与波长之间的关系。

如图6B所示，在778.7nm的中心波长附近以约0.4nm的间隔存在有五个峰值，它表明泵浦波长是以200GHz间隔变化的。另外，从图中可以看出，转换效率(它约为具有均匀周期的波长转换器的18％)等价于如图3F所示带有四个波长的传统波长转换器的转换效率，虽然其泵浦波长数目更多。

图6C示出了当信号光的波长为1548.9nm并且泵浦光的波长被以约0.4nm的间隔改变为777.9、778.3、778.7、779.1和779.5nm时的1.55μm频带谱。从图6C可见，闲频光的波长相应于泵浦光波长变化而变化，其间隔约为1.6nm。

(实施例2)

图7A-7C示出了本发明所述波长转换器的第二个实施例的非线性光学系数的调制结构和工作特性。图7A示出了本实施例中使用的非线性光学系数的调制结构之中的周期变化曲线；图7B示出了当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所得到的归一化的转换效率；图7C则示出了当输入信号光和泵浦光时1.55μm频带闲频光的频谱。

与第一个实施例中能够处理奇数个数目的泵浦波长的波长转换器相比，本实施例的波长转换器被配置成能够利用偶数数目的泵浦波长执行波长转换。从图6A-6C可以看出，第一实施例的结构配置(其中为基本周期Λ₀提供了周期为Λ_f的频率调制)具有在其中相位失配量为2π/Λ₀的中心点处的周围每2π/Λ_f个间隔上的转换效率峰值。因此，当将中心峰值被表示为零级峰值时，为了得到偶数数目的峰值，则应当以这样一种方式来设定周期变化曲线，即，仅仅让从中心峰开始计数的奇数级值变大，而让包括零级峰值在内的偶数级峰值变小。

这样，本实施例被配置成如图7B所示，其中四个峰(即+3级、+1级、-1级与-3级峰)变为最大值。顺便提及，在本实施例中，极化反转周期约为15.5μm，极化反转部分的总长度为57.04mm，调制单元结构的重复周期(频率调制周期)Λ_f为14.26mm，并且频率变化模式被重复四个周期。因此，属于频率变化模式的一个周期的极化反转结构的数目大约是920个周期。本实施例是如此配置的，它通过将周期约为15.5μm的极化反转结构的周期两两划分，从而将频率变化周期划分为大约460个子区段，并且通过对每个极化反转结构单元的周期进行优化处理，从而在四个泵浦波长处得到最大转换效率。另外，如图7A中示出的周期变化曲线所示，生成的频率变化使得极化反转周期在15.5μm中心点附近的一个周期内近似平滑地变化。

如图7B所示，在778.7nm的中心波长附近以约0.8nm的间隔存在有四个峰值，它表明泵浦光波长是以400GHz的间隔改变的。在本实施例中，频率变化曲线是如此配置的，它使得峰值按照这样的间隔被产生，以至于偶数级次的峰值被消除。作为结果，尽管本实施例采用了与第一实施例相同的基本周期和频率调制周期，但本实施例中的峰值间隔却是第一实施例中的二倍。按照这种方式，本发明通过改变周期变化曲线就可以灵活地改变峰值数目以及峰值间隔。

由图7B中的纵轴所代表的转换效率是相对于一种波长转换器的转换效率而得到归一化处理的，所述波长转换器包括在具有相同的57.04mm长度的极化反转部分之中的15.5μm的均匀周期的极化反转结构。从图7B中可以看到，本实施例所述波长转换器的转换效率约为具有均匀周期的极化反转结构的波长转换器的转换效率的23％。因此，虽然本实施例的泵浦波长数目与如图3F所示的具有四个波长的传统波长转换器的相同，但本实施例所述波长转换器的转换效率却比所述具有四个波长的传统波长转换器的转换效率大1.25倍左右。

虽然第一实施例是这样一个例子，它从外部接收处于0.78μm频带的泵浦光，并执行1.55μm频带的波长转换，但这并不是必需的。还可以执行所谓的级联泵浦，例如，可以使用1.55μm频带的光源作为外部泵浦光，并通过非线性光学介质中的SHG效应生成0.78μm频带的光，以用作泵浦光。

图7C示出了在本发明所述波长转换器的操作受到级联泵浦方案的验证、信号光的波长为1542.7nm、并且泵浦光的波长被以约1.6nm的间隔改变为1559.8、1558.2、1556.6和1555.0nm时的1.55μm频带谱。从图7C可以看出，闲频光的波长相应于泵浦光波长的变化而变化，其间隔约为3.2nm。

(实施例3)

图8A-8C示出了本发明所述波长转换器的第三个实施例的非线性光学系数的调制结构和工作特性。图8A示出了本实施例中使用的非线性光学系数的调制结构之中的周期变化曲线；图8B示出了当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所得到的归一化的转换效率；图8C则示出了当输入信号光和泵浦光时1.55μm频带闲频光的频谱。

前述第二实施例的波长转换器被配置成能够处理偶数数目的泵浦波长。而本实施例的波长转换器除了具有这种能力以外，还被配置成能够缩短泵浦光波长之间的间隔。尽管第二实施例中通过配置设定频率变化曲线从而消除了偶数级次的峰值，但这并不是必需的。例如，为了得到偶数数目的峰值，一种可行的方法是，确定频率变化曲线，由此在零级峰值附近(包括零级峰值在内)非对称地得到一些峰值。这样，本实施例就被配置成如图8B所示的那样，其中有四个峰值(即零级、-1级、-2级与+1级峰)变为最大值。顺便提及，在本实施例中，极化反转的基本周期Λ₀为15.5μm，极化反转部分的总长度是57.04mm，调制单元结构的重复周期(频率调制周期)Λ_f是14.26mm，并且频率变化模式被重复四个周期。因此，属于频率变化模式的一个周期的极化反转结构的数目大约是920个周期。本实施例是如此配置的，它通过将周期约为15.5μm的极化反转结构的周期两两划分，从而将频率变化周期划分为大约460个子区段，并且通过对每个极化反转结构单元的周期进行优化处理，从而在四个泵浦波长处得到最大转换效率。另外，如图8A中示出的周期变化曲线所示，生成的频率变化使得极化反转周期在15.5μm中心点附近的一个周期内近似平滑地变化。

如图8B所示，在778.7nm的中心波长附近以约0.4nm的间隔存在有四个峰值，它表明泵浦光波长是以200GHz的间隔改变的。在本实施例中，频率变化曲线是如此配置的，它使得峰值在零级峰值附近被非对称地产生。作为结果，尽管本实施例采用了与第二实施例相同的基本周期和频率调制周期，但本实施例中的峰值间隔却是第二实施例中的一半。按照这种方式，本发明通过改变周期变化曲线就可以灵活地改变峰值数目以及峰值间隔。

由图8B中的纵轴所代表的转换效率是相对于一种波长转换器的转换效率而得到归一化处理的，所述波长转换器包括在具有相同的57.04mm长度的极化反转部分之中的15.5μm的均匀周期的极化反转结构。从图8B中可以看到，本实施例所述波长转换器的转换效率约为具有均匀周期的极化反转结构的波长转换器的转换效率的23％。因此，虽然本实施例的泵浦波长数目与如图3F所示的具有四个波长的传统波长转换器的相同，但本实施例所述波长转换器的转换效率却比所述具有四个波长的传统波长转换器的转换效率大1.25倍左右。

通过使用1.55μm频带的波长的光作为信号光，并且通过将泵浦光的波长改变为间隔约为0.4nm的778.3、778.7、779.1和779.5nm，本实施例就能以1.6nm的间隔来改变闲频光的波长。尽管本实施例确定的频率调制周期Λ_f是14.26mm，且以0.4nm的间隔来改变泵浦光的波长，但这并不是必需的。例如，为了将泵浦光波长之间的间隔减半变为100GHz，则可以保持其它配置条件不变，而只将频率调制周期倍增为28.52mm。该周期在通用的3-4英寸直径的衬底上是可以实现的。按照这种方式，依照本发明，通过适当地设计周期变化曲线(即，频率变化函数)，就能够使周期结构与传统的相比变短，从而能够处理更窄的波长间隔，例如100GHz。

当入射到本发明所述波长转换器上的泵浦光的能量足够大时，它不仅能产生差频光，还能利用参量效应放大输入光。为了验证这一点，本实施例采用1.55μm频带的光源作为外部泵浦光，并且通过非线性光学介质中的SHG效应以产生0.78μm频带的光，然后通过采用0.78μm频带的光作为泵浦光的级联方案以对放大率进行验证。

更具体地说，泵浦光由重复频率为100MHz、时间宽度为100ps的泵浦光脉冲串(pulse train)组成，而信号光则由重复频率为100MHz、时间宽度为10ps的脉冲串组成。信号光与泵浦光脉冲串被同步输入到本实施例所述的波长转换器中，用以验证放大率。

图8C示出了利用级联泵浦对本实施例所述波长转换器进行验证时所获得的1.55μm频带谱，其中信号光的波长为1540.0nm，泵浦光的变化为1557.4和1559.0nm。如图8C所示，闲频光的波长相应于泵浦光的波长变化而变化。另外，与未提供泵浦光的情形相比，输入光被放大了约12dB，这意味着闲频光的能量等价于信号光的能量。

(实施例4)

图9A和9B示出了本发明所述波长转换器的第四个实施例的非线性光学系数的调制结构和工作特性。图9A示出了本实施例中使用的非线性光学系数的调制结构之中的周期变化曲线；图9B示出了当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所得到的归一化的转换效率。

与能够处理四至五个泵浦波长的第一至第三实施例相比，本实施例所述的波长转换器能够利用更多数目的泵浦波长进行波长转换。如图9B所示，它被配置成使八个奇数级次的峰值变为最大。

在本实施例中，极化反转的基本周期Λ₀为15.5μm，极化反转部分的总长度为57.04mm，调制单元结构的重复周期(频率调制周期)Λ_f为14.26mm，并且频率变化模式被重复四个周期。因此，属于频率变化模式的一个周期的极化反转结构的数目大约是920个周期。本实施例是如此配置的，它通过将周期大约为15.5μm的极化反转结构的周期两两划分，从而将频率变化周期划分为大约460个子区段，并且通过对每个极化反转结构单元的周期进行优化处理，从而在四个泵浦波长处得到最大转换效率。另外，如图9A中示出的周期变化曲线所示，生成的频率变化使得极化反转周期在本实施例所述的波长转换器的15.5μm中心点附近的一个周期内近似平滑地变化。

如图9B所示，波长转换器可以在778.7nm的波长附近以0.8nm的间隔产生八个峰值，这意味着泵浦光波长在400GHz的间隔上变化。

当使用1.55μm频带的波长光作为信号光并在780nm附近以0.4nm的间隔改变泵浦光的波长时，本实施例能够相应地以3.2nm的间隔改变闲频光的波长。因此，依照本发明，即使泵浦波长数目非常多，也可以通过适当地设计频率变化函数，从而很方便地设计制造出波长转换器。

(实施例5)

图10的框图示出了含有本发明所述波长转换器的波长转换设备的第一种结构。波长转换设备100包括泵浦光发生器101，泵浦光发生器101使用1.55μm频带内振荡波长不同的五个半导体激光器以作为泵浦源102。从泵浦源102输出的激光束通过由阵列波导光栅构成的多路复用器103复合，而后被掺有铒(Er)的光纤放大器104放大并输出作为泵浦光。多路复用器106由多层介质构成，用于对信号光108和泵浦光进行复合，而且复合的光被入射到本发明所述的波长转换器107中，从而发射出闲频光109。顺便提及，本实施例使用的波长转换器107是如第一实施例所述的能够处理五个泵浦波长的波长转换器。

本实施例采用级联泵浦方案，它使用了1.55μm频带的外部泵浦光。通过准备五个振荡波长位于0.78μm频带内并且振荡波长各不相同的半导体激光器也可以构成类似的转换器。在这种情形下，可以省去掺有铒的光纤放大器104，或者可以使用其它的半导体激光放大器。在本实施例中，用作泵浦源102的半导体激光器具有的波长为1555.8、1556.6、1557.4、1558.2和1559.0nm，其间隔约为0.8nm。

利用一泵浦波长控制器105选择一个半导体激光器以使其产生振荡，就可使闲频光的波长能够按照如图6C所示的方式以1.6nm的间隔变化。另外，同时使多个半导体激光器产生振荡，就有可能同时生成多个间隔为1.6nm的闲频光光束109。

虽然本实施例利用了多个泵浦源来构成泵浦光发生器101，但这并不是必需的。例如，通过利用具有可变振荡波长的单个光源或能够在多个波长之间切换的光源，也可以构成类似的波长转换器。

另外，虽然本实施例使用LiNbO₃作为非线性光学材料，但这也不是必需的。例如，还可以选择使用多种其非线性光学系数可被反转或调制的二次非线性光学材料(如，LiTaO₃、KNbO₃、KTaO₃、Li_xK_1-xTa_yNb_1-yO₃ 、类似于KTP的氧化物晶体、类似于AlGaAs的半导体材料、以及有机材料等)。

还有，虽然本实施例中包括的波长转换器在非线性光学介质中具有很强的光学限制效应并且光波导型结构能够实现长距离相互作用，从而达到实现高波长转换效率的目的，但这并不是必需的。例如，可采用整体型器件结构来转换高能量激光的波长。

(波长转换器的第二种结构)

图11A和11B的示意图示出了本发明所述波长转换器的第二种结构。下面将以差频发生器为例进行说明，所述差频发生器将诸如LiNbO₃的铁电晶体用做非线性光学介质，它能够通过反转极化方向从而使非线性光学系数的正负号反转。

如图11A所示，差频发生器在非线性光学材料衬底111中形成有光波导112。它通过对非线性光学介质的自发极化方向进行周期性地反转以实现非线性光学系数的调制，并且利用波长为λ₃的泵浦光115将波长为λ₁的信号光113转换为波长值为λ₂的闲频光(差频光)114。

在差频发生器中，非线性光学系数沿非线性光学介质的纵向受到周期性的调制，就像第一种结构中所述的那样。但是，如图11B所示，非线性光学系数具有由“调制单元结构”和“相位调制结构”构成的“由相位调制的周期性调制结构”。“调制单元结构”指的是这样一种结构，其中非线性光学系数的周期性调制的相位沿光波导112的方向以每个固定周期(基本周期)Λ₀进行连续的变化。另一方面，“相位调制结构”指的是这样一种结构，其中“调制单元结构”的相位变化在每一个调制周期Λ_ph中重复。波长为λ₁的信号光113和波长为λ₃的泵浦光115通过多路复用器117被输入到在非线性光学材料衬底111上形成的非线性光学介质的光波导112中，并在由泵浦光115在非线性光学介质中引起的二次非线性光学效应作用下，产生波长值为λ₂的闲频光114，闲频光114的波长值λ₂与信号光113的波长值λ₁不同。

尽管图11A和11B所示的光波导型结构，其在非线性光学介质中具有很强的光学限制效应并且能够获取很长距离的相互作用，以达到获取高的波长转换效率的目的，但是它并不是必需的。例如，一种用于对高能量激光的波长进行转换的转换器可以采用整体型结构。

图12A-12C示出了图11A所示差频发生器的非线性光学介质中的调制单元结构和相位调制结构的详细情况。图12A示出了非线性光学系数在相位调制结构的一部分的纵向方向中的变化特性。如图12A所示，其中以基本周期Λ₀的间隔对非线性光学系数中的变化进行了划分，尽管非线性光学系数是以均匀周期Λ₀被反转的(从+1到-1，或从-1到+1)，但是每个周期(或每隔若干个周期)的初相位是逐渐地变化着。图12B示出了在图12A所示各个基本周期Λ₀上的相位变化情况。

对结构施加相位调制，以使相位在图12A所示纵向方向中超前，此举产生的效果相当于缩短了周期。反之，使相位在纵向方向中延迟的结构将导致产生的效果相当于增大了周期。带有这种相位调制的非线性光学系数的调制单元结构具有这样一种结构，它以长于周期Λ₀的周期Λ_ph而受到重复，如图12C所示。

与能够180度反转相位的传统波长转换器不同，本发明所述波长转换器采用了这样一种调制单元结构，其中周期性调制的相位是连续变化的。由相位调制的周期性调制结构的相位变化由这样的相位调制结构组成，其中调制单元结构中的相位变化被以图12C所示的周期Λ_ph重复。通过在对具有这样一种长周期重复结构的周期调制型非线性光学材料进行相位调制时改变相位调制波形(相位调制曲线)，这种波长转换器就能够处理所需数目的泵浦波长，而不会大量损耗转换效率。顺便提及，用于确定相位调制曲线的方法与前述用于确定频率变化曲线的方法相同。

图13A-13D示出了本发明所述能够处理多种数目的泵浦波长的波长转换器的相位调制曲线以及转换效率与相位失配量之间的关系曲线的多个例子。在这些附图中，转换效率相对于其非线性介质具有相同长度但未经相位调制的波长转换器的转换效率而得到归一化处理。

例如，图13A和13B分别示出了与三条泵浦光波长相对应的波长转换器的相位变化曲线以及转换效率与相位失配量之间的关系曲线。与如图3C和3D所示的传统波长转换器的特性相比，这些附图中，转换效率与相位失配量之间的关系曲线的伪副峰值被减小，并且其转换效率比传统波长转换器的效率提高了30％。

通过适当确定“调制单元结构”的基本周期Λ₀、“相位调制结构”的相位调制周期Λ_ph、以及由调制单元结构和相位调制结构构成的“由相位调制的周期性调制结构”的相位调制曲线，以改变相位匹配曲线的形状，本发明所述的波长转换器就能够容易地处理所需数目的泵浦波长。确定周期Λ₀、Λ_ph以及相位调制曲线的方法根据目的不同而不同。但是，如前所述，在任何这些方法中相位调制曲线都是如此确定的，即，当相位失配量Δβ等于由周期Λ₀、Λ_ph确定的特定值时，转换效率具有局部最大值。

在这种情形下，假定通过质子交换方法在LiNbO₃中形成的光波导被用作非线性光学介质，非线性光学系数通过周期性地反转LiNbO₃的自发极化方向而得到调制，并且图13A与13C中的周期Λ_ph确定约为14mm或28mm。在这种情况下，与相位匹配曲线的峰值相应的有效泵浦波长之间的间隔分别为200GHz和100GHz。换句话说，它能够在重复周期只为传统波长转换器的重复周期的一半的情况下，实现相同的泵浦波长间隔。因此，本发明所述的波长转换器就可被容易地设置在3-4英寸直径的通用衬底上。

如上所述，根据本发明所述的波长转换器具有所述的“由相位调制的周期性调制结构”，它将“相位调制结构”(其中“调制单元结构”被以周期Λ_ph重复)引入到非线性光学系数的周期反转结构中。这里，“调制单元结构”在非线性光学介质中光的行进方向上的相位变化以近乎连续的方式变化。因此，它可以处理所需数目的泵浦波长。另外，它还能够抑制转换效率的降低，并且可以实现能够简单地利用实用尺寸的非线性光学介质而构成的泵浦波长可变型波长转换器(以及使用这种泵浦波长可变型波长转换器的波长转换设备)。

接下来将通过实施例6-10对本发明所述波长转换器的第二种结构进行更加详细的说明。

(实施例6)

图14A-14C示出了本发明所述波长转换器的第六个实施例的各种特性。波长转换器被配置成能够接收具有0.78μm频带波长值的泵浦光，并将具有1.55μm频带波长值的信号光转换为差频光。这里，图14A示出了本实施例中使用的非线性光学系数的由相位调制的周期性调制结构之中的相位调制曲线；图14B示出了当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所得到的归一化的转换效率；图14C则示出了1.55μm频带的闲频光的频谱。

该波长转换器使用Z向切割(以垂直于Z轴的方向切割的衬底)的LiNbO₃衬底。其极化反转部分通过施加电场的方法受到了基本周期约为15.5μm的极化反转。在以这种方式进行了极化反转处理的衬底上，SiO2图案通过光刻法被形成。然后，它被浸入至温度大约为180度的苯甲酸中，然后通过在氧气环境中进行退火而形成光波导。按照这种方式构成的波长转换器可以处理五个泵浦波长。

波长转换器的极化反转部分具有下述结构：相位调制周期Λ_ph为14.26mm；极化反转部分的总长度为57.04mm；相位调制模式被重复四个周期(＝57.04mm/14.26mm)；并且属于一个相位调制周期Λ_ph的极化反转结构的数目920个周期(＝14.26mm/15.5μm)。本实施例是如此配置的，它通过将周期约为15.5μm的极化反转结构的周期两两划分，从而将相位调制周期划分为大约460个子区段，并且通过对每个极化反转结构单元的相位进行优化处理，从而在五个泵浦波长处得到最大转换效率。

波长转换器中的非线性光学介质受到相位调制，这种相位调制以与非线性光学系数的由相位调制的周期性调制结构之中的相位调制曲线同样的方式在一个周期内平滑地从相位零变化为约1.6π，如图14A所示。

对于本实施例中使用的具有极化反转结构的LiNbO₃衬底来说，将光刻胶施加到衬底的+Z平面上，然后利用光刻法形成图案。然后电极被蒸发(evaporate)到衬底上，并且电场通过电解液被施加在衬底上，从而使电极直接接触的衬底区域的极化方向被反转。这里，发生极化反转的区域的宽度稍稍宽于电极的宽度。因此，设计用于光刻法处理的掩模时必须考虑到该宽度差。在本实施例中，当计算出理想的相位调制结构之后，考虑到反转域宽度的增大，所以设计掩模应使光刻胶的宽度宽一些。

图14B中的横轴代表了本实施例所述波长转换设备中的波长转换器产生的0.78μm频带的二次谐波的波长。另一方面，纵轴则代表了转换效率，所述转换效率相对于包括具有相同长度57.04mm的极化反转部分并且在极化反转部分具有15.5μm的均匀周期的极化反转结构的波长转换器的转换效率而得到归一化处理。从该图中所示结果可以估计出当0.78μm频带的泵浦光被输入到波长转换器中以导致产生差频光时，转换效率与波长之间的关系。

如图14B所示，在778.7nm的中心波长附近以约0.4nm的间隔存在有五个峰值，它表明泵浦光波长是以200GHz的间隔变化的。另外，从图中可以看出，虽然其泵浦波长数目更多，但其转换效率(它约为具有均匀周期的波长转换器的18％)却等价于如图3F所示带有四个波长的传统波长转换器的转换效率。

图14C示出了当信号光的波长为1548.9nm并且泵浦光的波长被以0.4nm的间隔改变为777.9、778.3、778.7、779.1和779.5nm时的1.55μm频带谱。从图14C可见，闲频光的波长相应于泵浦光波长的变化而变化，其间隔约为1.6nm。

(实施例7)

图15A-15C示出了本发明所述波长转换器的第七个实施例的各种特性。图15A示出了波长转换器的相位调制曲线；图15B示出了当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所得到的归一化的转换效率；图15C则示出了1.55μm频带的闲频光的频谱。

与配置成能够应对奇数个数目的泵浦波长的第六实施例的波长转换器相比，本实施例的波长转换器被配置成能够利用偶数数目的泵浦波长来执行波长的转换。参见图14B，前述第六实施例的结构(它为调制单元结构的基本周期Λ₀提供了周期为Λ_ph的相位调制)的转换效率的峰值以2π/Λ_f的间隔出现在相位失配量等于2π/Λ₀的中心点附近。因此，当将中心峰值表示为零级峰值时，为了得到偶数数目的峰值，则应当以这样一种方式设定相位调制曲线，即，仅让从中心峰值开始计数的奇数级峰值变大，而且让包括零级峰值在内的偶数级峰值变小。

这样，本实施例被配置成如图15B所示，其中四个峰值(即+3级、+1级、-1级与-3级)变为最大值。顺便提及，在本实施例中，极化反转周期大约为15.5μm，极化反转部分的总长度是57.04mm，相位调制周期为14.26mm，并且相位调制模式被重复四个周期。因此，属于相位调制模式的一个周期的极化反转结构的数目是920个周期。本实施例是如此配置的，它通过将周期大约为15.5μm的极化反转结构的周期两两划分，从而将相位调制周期划分为460个子区段，并且通过对每个极化反转结构单元的周期进行优化处理，从而在四个泵浦波长处得到最大转换效率。另外，如图15A中示出相位调制曲线所示，相位调制被产生以使相位在一个周期内平滑地从零变化至约1.6π。

如图15B所示，在778.7nm的中心波长附近以约0.8nm的间隔存在有四个峰值，它表明泵浦光波长是以400GHz的间隔变化的。在本实施例中，相位调制曲线被配置成能够以除去了偶数级峰值的间隔来产生峰值。作为结果，尽管本实施例与第六个实施例采用了相同的相位调制周期，但本实施例中的峰值间隔却是第六个实施例中的二倍。以这种方式，本发明通过改变相位调制曲线就可以灵活地改变峰值的数目以及峰值间隔。

由图15B中的纵轴所代表的转换效率是相对于一种波长转换器的转换效率而得到归一化处理的，所述波长转换器包括长度为57.04mm并且具有15.5μm的均匀周期的极化反转结构。从图15B中可以看到，本实施例所述波长转换器的转换效率约为具有均匀周期的极化反转的结构的波长转换器的转换效率的23％。因此，虽然本实施例的泵浦波长数目与如图3F所示的具有四个波长的传统波长转换器的相同，但本实施例所述波长转换器的转换效率却比所述具有四个波长的传统波长转换器的转换效率大1.25倍左右。

虽然第六实施例是这样一个例子，它从外部接收0.78μm频带的泵浦光，并执行1.55μm频带内的波长转换，但这并不是必需的。还可以执行所谓的级联泵浦，它可以使用1.55μm频带的光源作为外部泵浦光，并通过非线性光学介质中的SHG效应生成0.78μm频带的光，以用作泵浦光。

图15C示出了在本发明所述波长转换器的操作受到级联泵浦方案的验证、信号光的波长为1542.7nm、并且泵浦光的波长被以约1.6nm的间隔改变为1559.8、1558.2、1556.6和1555.0nm时的1.55μm频带谱。从图15C可以看出，闲频光的波长相应于泵浦光波长的变化而变化，其间隔约为3.2nm。

(实施例8)

图16A-16C示出了本发明所述波长转换器的第八个实施例的各种特性。图16A示出了波长转换器的相位调制曲线；图16B示出了当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所得到的归一化的转换效率；图16C则示出了1.55μm频带的闲频光的频谱。

前述第七实施例的波长转换器被配置成能够处理偶数数目的泵浦波长。除了具有这个能力以外，本实施例的波长转换器还能够缩短泵浦波长之间的间隔。尽管第七实施例中的相位调制曲线被配置成通过消除偶数级次的峰值来获得峰值，但这并不是必需的。例如，为了实现偶数数目的峰值，一种可行的方法是，确定相位调制曲线，以在零级峰值附近(包括零级峰值)非对称地获得一些峰值。因此，本实施例被配置成如图16B所示，其中四个峰值(即零级、-1级、-2级与+1级峰值)变为最大值。顺便提及，在本实施例中，极化反转的基本周期Λ₀为15.5μm，极化反转部分的总长度是57.04mm，相位调制周期Λ_ph是14.26mm，并且相位调制模式被重复四个周期。因此，属于相位调制模式的一个周期的极化反转结构的数目是920个周期。本实施例是如此配置的，它通过将周期大约为15.5μm的极化反转结构的周期两两划分，从而将相位调制周期划分为460个子区段，并且通过对每个极化反转结构单元的相位进行优化处理，从而在四个泵浦波长处得到最大转换效率。另外，如图16A示出的相位调制曲线所示，相位调制被产生以使相位在一个周期内近乎平滑地从-0.1π变化至约1.1π。

如图16B所示，在778.7nm的中心波长附近以约0.4nm的间隔存在有四个峰值，它表明泵浦波长是以200GHz的间隔变化的。在本实施例中，相位调制曲线被配置成能够在零级峰值附近非对称地生成四个峰值。作为结果，尽管本实施例与第七实施例采用了相同的相位调制周期，但其峰值间隔值却是第七实施例的一半。按照这种方式，本发明通过改变相位调制曲线就可以灵活地改变峰值的数目以及峰值间隔。

由图16B中的纵轴所代表的转换效率是相对于一种波长转换器的转换效率而得到归一化处理的，所述波长转换器包括长度为57.04mm并且具有15.5μm的均匀周期的极化反转结构。从图16B中可以看到，本实施例所述波长转换器的转换效率约为具有均匀周期的极化反转的结构的波长转换器的转换效率的23％。因此，虽然本实施例的泵浦波长数目与如图3F所示的具有四个波长的传统波长转换器的相同，但本实施例所述波长转换器的转换效率却比所述具有四个波长的传统波长转换器的转换效率大1.25倍左右。

通过使用1.55μm频带波长的光作为信号光，并且通过将泵浦光的波长改变为间隔约为0.4nm的778.3、778.7、779.1和779.5nm，本实施例就能以1.6nm的间隔来改变闲频光的波长。尽管本实施例确定的相位调制周期是14.26mm，以用200GHz的间隔来改变泵浦光的波长，但这并不是必需的。例如，为了将泵浦光波长之间的间隔减半变为100GHz，则可以保持其它配置条件不变，而只将相位调制周期倍增为28.52mm。该周期在通用的3-4英寸直径的衬底上是可以实现的。这样，根据本发明，通过适当地设计相位调制函数，就可使周期结构与传统的相比变短，从而能够处理更窄的波长间隔，例如100GHz。

当入射到本发明所述波长转换器上的泵浦光的能量足够大时，它不仅能产生差频光，还能利用参量效应放大输入光。为了验证这一点，本实施例采用1.55μm频带的光源作为外部泵浦光，并且通过非线性光学介质中的SHG效应以产生0.78μm频带的光，然后通过采用0.78μm频带的光作为泵浦光的级联方案以对放大率进行验证。

更具体地说，泵浦光由重复频率为100MHz、时间宽度为100ps的泵浦光脉冲串(pulse train)组成，而信号光则由重复频率为100MHz、时间宽度为10ps的脉冲串组成。信号光与泵浦光脉冲串被同步输入到本实施例所述的波长转换器中，用以验证放大率。

图16C示出了利用级联泵浦对本实施例所述波长转换器进行验证时所获得的1.55μm频带谱，其中信号光的波长为1540.0nm，泵浦光的变化为1557.4和1559.0nm。如图16C所示，闲频光的波长相应于泵浦光的波长变化而变化。另外，与未提供泵浦光的情形相比，输入光被放大了约12dB，这意味着闲频光的能量等价于信号光的能量。

(实施例9)

图17A和17B示出了本发明所述波长转换器的第九个实施例的各种特性。图17A示出了波长转换器的相位调制曲线；图17B示出了当利用1.55μm频带的波长可调光源进行SHG特性评测时所得到的归一化的转换效率。

与被配置成能够处理四至五个泵浦波长的第六至第八实施例相比，本实施例所述的波长转换器能够利用更多数目的泵浦波长进行波长转换。如图17B所示，它被配置成使八个奇数级次的峰值变为最大。

在本实施例中，极化反转的基本周期为15.5μm，极化反转部分的总长度为57.04mm，相位调制周期为14.26mm，并且相位调制模式被重复四个周期。因此，属于相位调制模式的一个周期的极化反转结构的数目为920个周期。本实施例是如此配置的，它通过将周期大约为15.5μm的极化反转结构的周期两两划分，从而将相位调制周期划分为460个子区段，并且通过对每个极化反转结构单元的周期进行优化处理，从而在四个泵浦波长处得到最大转换效率。另外，如图17A中示出的相位调制曲线所示，相位调制被产生以使相位在一个周期内近乎平滑地从零改变至2.7π。如图17B所示，波长转换器可以在778.7nm的波长附近以0.8nm的间隔产生八个峰值，这意味着泵浦光波长在400GHz的间隔上变化。

当使用1.55μm频带波长的光作为信号光并在780nm附近以0.4nm的间隔改变泵浦光的波长时，本实施例能够相应地以3.2nm的间隔改变闲频光的波长。因此，依照本发明，即使泵浦波长数目非常多，也可以通过适当地设计相位调制函数，从而很方便地设计制造出波长转换器。

(实施例10)

图18的框图示出了含有本发明所述波长转换器的波长转换设备的结构。波长转换设备180包括泵浦光发生器181，泵浦光发生器181使用1.55μm频带内振荡波长不同的五个半导体激光器以作为泵浦源182。从泵浦源182输出的激光束通过由阵列波导光栅构成的多路复用器183复合，而后被掺有铒(Er)的光纤放大器184放大并输出作为泵浦光。信号光188和泵浦光被由多层介质构成的多路复用器186复合，并且被入射到本发明所述的波长转换器187中，从而发射出闲频光189。顺便提及，本实施例使用的波长转换器187是如第一实施例所述的能够处理五个泵浦波长的波长转换器。

本实施例采用级联泵浦方案，它使用了1.55μm频带的外部泵浦光。通过准备五个振荡波长位于0.78μm频带内并且振荡波长各不相同的半导体激光器也可以构成类似的转换器。在这种情形下，可以省去掺有铒的光纤放大器184，或者可以使用其它的半导体激光放大器。在本实施例中，用作泵浦源182的半导体激光器具有的波长为1555.8、1556.6、1557.4、1558.2和1559.0nm，其间隔约为0.8nm。

利用一泵浦波长控制器185选择一个半导体激光器以使其产生振荡，就可使闲频光的波长能够按照如图14C所示的方式以1.6nm的间隔变化。另外，同时使多个半导体激光器产生振荡，就有可能同时生成多个间隔为1.6nm的闲频光光束189。

虽然本实施例利用了多个泵浦源来构成泵浦光发生器181，但这并不是必需的。例如，通过利用具有可变振荡波长的单个光源或能够在多个波长之间切换的光源，也可以构成类似的波长转换器。

另外，虽然本实施例使用LiNbO₃来作为非线性光学材料，但这也不是必需的。例如，还可以选择使用多种其非线性光学系数可被反转或调制的二次非线性光学材料(如，LiTaO₃、KNbO₃、KTaO₃、Li_xK_1-xTa_yNb_1-yO₃、类似于KTP的氧化物晶体、类似于AlGaAs的半导体材料、以及有机材料等)。

还有，虽然本实施例中包括的波长转换器在非线性光学介质中具有很强的光学限制效应并且光波导型结构能够实现长距离相互作用，从而达到实现高波长转换效率的目的，但这并不是必需的。例如，可采用整体型器件结构来转换高能量激光的波长。

本发明所述波长转换器的第一种和第二种结构是以差频发生器为例进行描述说明的，所述差频发生器具有波长转换器中的非线性光学介质，它能够接收波长不同的两束光(即信号光和泵浦光)，并且输出波长值为这两束输入光的波长值的差值的闲频光。但是，不同类型的入射光或输出光也是可以采用的。例如，这样一种结构也是可能的，它能够输入一束或两束波长值为满足下列公式的三个波长值(λ₁、λ₂和λ₃，包含λ₁＝λ₂的情况)的光束，并且将输入光转换成波长值等于所述三个波长值之一且至少与其中一个输入光的波长值不同的光。

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_3}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}---\left(7\right)$

例如，可以存在具有这样一种结构的波长转换器，它输入波长值为λ₁和λ₂的两束输入光，并且输出对应于两束输入光的和频率的波长值为λ₃的光。或者它可以输入两束波长值满足关系式λ₁＝λ₂的光，并且输出与输入光的二次谐波相对应的波长值为λ₃＝2λ₁的光。根据本发明所述，这些结构也可以改变入射光的波长，由此能够实现输出光的波长转换。

以上根据优选实施例对本发明进行了详尽的说明。通过上述说明，本领域普通技术人员可以明白，在不背离本发明较宽方面的前提下可以对本发明进行多种改变和修改。因此，所有的这些不背离本发明精神的改变和修改都落入在附带的权利要求书的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种波长转换器，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的调制周期在光的行进方向中以近似等于基本周期Λ₀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Λ₀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λ₁、λ₂、λ₃之中的一个或两个波长值，包括λ₁＝λ₂的情况在内，所述三个波长值λ₁、λ₂、λ₃满足下述公式，

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_3}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}$

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，

其中，确定所述基本周期Λ₀和所述频率调制周期Λ_f以及所述由频率调制的周期性调制结构的频率变化曲线以针对给定的相位失配量优化所述波长转换设备的转换效率。

2.一种波长转换设备，包括：泵浦源，它能够改变其振荡波长或者能够在多个振荡波长之间切换；以及波长转换器，其特征在于，所述波长转换器包括：

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的调制周期在光的行进方向中以近似等于基本周期Λ₀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Λ₀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λ₁、λ₂、λ₃之中的一个或两个波长值，包括λ₁＝λ₂的情况在内，所述三个波长值λ₁、λ₂、λ₃满足下述公式，

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_3}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}$

其中，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，

其中，确定所述基本周期Λ₀和所述频率调制周期Λ_f以及所述由频率调制的周期性调制结构的频率变化曲线以针对给定的相位失配量优化所述波长转换设备的转换效率，并且

其中，所述波长转换器被配置成能够

通过外部提供的输入信号光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非线性光学介质中生成差频光；以及

通过选择具有可使所述差频光的生成效率达到最大的相位失配量的泵浦光的波长来转换所述差频光的波长值。

3.如权利要求1所述的波长转换器，其特征在于，所述基本周期Λ₀和频率调制周期Λ_f以及由频率调制的周期性调制结构的所述频率变化曲线是如此确定的，以至于所述转换效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ₀±2πi/Λ_f(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)时达到最大值，所述相位失配量Δβ由以下公式给出：

$\mathrm{\Δ\β}=2\mathrm{\π}\·(\frac{n_3}{{\mathrm{\λ}}_3}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1})$

其中，n₁、n₂和n₃是非线性光学介质针对与在所述非线性光学介质中的波长转换有关的三个波长(λ₁、λ₂、λ₃)的折射率。

4.一种波长转换设备，包括：泵浦源，它能够改变其振荡波长或者能够在多个振荡波长之间切换；以及由权利要求3定义的波长转换器，其特征在于，所述波长转换器被配置成能够

通过外部提供的输入信号光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非线性光学介质中生成差频光；以及

通过选择具有可使所述差频光的生成效率达到最大的相位失配量的泵浦光的波长来转换所述差频光的波长值。

5.如权利要求1所述的波长转换器，其特征在于，所述基本周期Λ₀和频率调制周期Λ_f以及由频率调制的周期性调制结构的所述频率变化曲线是如此确定的，以至于所述转换效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ₀±2π(2i+1)/Λ_f(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)时达到最大值，所述相位失配量Δβ由以下公式给出：

$\mathrm{\Δ\β}=2\mathrm{\π}\·(\frac{n_3}{{\mathrm{\λ}}_3}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1})$

其中，n₁、n₂和n₃是非线性光学介质针对与在所述非线性光学介质中的波长转换有关的三个波长(λ₁、λ₂、λ₃)的折射率。

6.一种波长转换设备，包括：泵浦源，它能够改变其振荡波长或者能够在多个振荡波长之间切换；以及由权利要求5定义的波长转换器，其特征在于，所述波长转换器被配置成能够

通过外部提供的输入信号光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非线性光学介质中生成差频光；以及

通过选择具有可使所述差频光的生成效率达到最大的相位失配量的泵浦光的波长来转换所述差频光的波长值。

7.如权利要求1所述的波长转换器，其特征在于，所述基本周期Λ₀和频率调制周期Λ_f以及由频率调制的周期性调制结构的所述频率变化曲线是如此确定的，以至于所述转换效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ₀+2πi/Λ_f(i＝m，m+1，...，n，其中m和n为正整数或负整数，且满足|m|≠|n|)时达到最大值，所述相位失配量Δβ由下列公式给出：

$\mathrm{\Δ\β}=2\mathrm{\π}\·(\frac{n_3}{{\mathrm{\λ}}_3}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1})$

其中，n₁、n₂和n₃是非线性光学介质针对与在所述非线性光学介质中的波长转换有关的三个波长(λ₁、λ₂、λ₃)的折射率。

8.一种波长转换设备，包括：泵浦源，它能够改变其振荡波长或者能够在多个振荡波长之间切换；以及由权利要求7定义的波长转换器，其特征在于，所述波长转换器被配置成能够

通过外部提供的输入信号光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非线性光学介质中生成差频光；以及

通过选择具有可使所述差频光的生成效率达到最大的相位失配量的泵浦光的波长来转换所述差频光的波长值。

9.一种波长转换器，包括：

具有由相位调制的周期性调制结构的非线性光学介质，所述由相位调制的周期性调制结构由调制单元结构和相位调制结构组成，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以近似等于基本周期Λ₀的周期受到周期性的调制，并且调制相位近乎连续地变化，所述相位调制结构具有这样一种结构，其中所述调制单元结构的相位变化被以长于所述基本周期Λ₀的相位调制周期Λ_ph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λ₁、λ₂、λ₃之中的一个或两个波长值，包括λ₁＝λ₂的情况在内，所述三个波长值λ₁、λ₂、λ₃满足下述公式，

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_3}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}$

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，

其中，确定所述基本周期Λ₀和所述相位调制周期Λ_ph以及所述由相位调制的周期性调制结构的相位变化曲线以针对给定的相位失配量优化所述波长转换设备的转换效率。

10.一种波长转换设备，包括：泵浦源，它能够改变其振荡波长或者能够在多个振荡波长之间切换；以及波长转换器，其特征在于，所述波长转换器包括：

具有由相位调制的周期性调制结构的非线性光学介质，所述由相位调制的周期性调制结构由调制单元结构和相位调制结构组成，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以近似等于基本周期Λ₀的周期受到周期性的调制，并且调制相位近乎连续地变化，所述相位调制结构具有这样一种结构，其中所述调制单元结构的相位变化被以长于所述基本周期Λ₀的相位调制周期Λ_ph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λ₁、λ₂、λ₃之中的一个或两个波长值，包括λ₁＝λ₂的情况在内，所述三个波长值λ₁、λ₂、λ₃满足下述公式，

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_3}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}$

其中，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，

其中，确定所述基本周期Λ0和所述相位调制周期Λph以及所述由相位调制的周期性调制结构的相位变化曲线以针对给定的相位失配量优化所述波长转换设备的转换效率，并且

其中，所述波长转换器被配置成能够

通过外部提供的输入信号光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非线性光学介质中生成差频光；以及

通过选择具有可使所述差频光的生成效率达到最大的相位失配量的泵浦光的波长来转换所述差频光的波长值。

11.如权利要求9所述的波长转换器，其特征在于，所述基本周期Λ₀和相位调制周期Λ_ph以及由相位调制的周期性调制结构的所述相位变化曲线是如此确定的，以至于所述转换效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ₀±2πi/Λ_ph(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)时达到最大值，所述相位失配量Δβ由以下公式给出：

$\mathrm{\Δ\β}=2\mathrm{\π}\·(\frac{n_3}{{\mathrm{\λ}}_3}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1})$

其中，n₁、n₂和n₃是非线性光学介质针对与在所述非线性光学介质中的波长转换有关的三个波长(λ₁、λ₂、λ₃)的折射率。

12.一种波长转换设备，包括：泵浦源，它能够改变其振荡波长或者能够在多个振荡波长之间切换；以及由权利要求11定义的波长转换器，其特征在于，所述波长转换器被配置成能够

通过外部提供的输入信号光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非线性光学介质中生成差频光；以及

通过选择具有可使所述差频光的生成效率达到最大的相位失配量的泵浦光的波长来转换所述差频光的波长值。

13.如权利要求9所述的波长转换器，其特征在于，所述基本周期Λ₀和所述相位调制周期Λ_ph以及由相位调制的周期性调制结构的所述相位变化曲线是如此确定的，以至于所述转换效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ₀±2π(2i+1)/Λ_ph(i＝0，1，...，n，其中n为正整数)时达到最大值，所述相位失配量Δβ由以下公式给出：

$\mathrm{\Δ\β}=2\mathrm{\π}\·(\frac{n_3}{{\mathrm{\λ}}_3}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1})$

其中，n₁、n₂和n₃是非线性光学介质针对与在所述非线性光学介质中的波长转换有关的三个波长(λ₁、λ₂、λ₃)的折射率。

14.一种波长转换设备，包括：泵浦源，它能够改变其振荡波长或者能够在多个振荡波长之间切换；以及由权利要求13定义的波长转换器，其特征在于，所述波长转换器被配置成能够

通过外部提供的输入信号光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非线性光学介质中生成差频光；以及

通过选择具有可使所述差频光的生成效率达到最大的相位失配量的泵浦光的波长来转换所述差频光的波长值。

15.如权利要求9所述的波长转换器，其特征在于，所述基本周期Λ₀和相位调制周期Λ_ph以及由相位调制的周期性调制结构的所述相位变化曲线是如此确定的，以至于所述转换效率在相位失配量Δβ等于2π/Λ₀+2πi/Λ_ph(i＝m，m+1，...，n，其中m和n为正整数或负整数，且满足|m|≠|n|)时达到最大值，所述相位失配量Δβ由以下公式给出：

$\mathrm{\Δ\β}=2\mathrm{\π}\·(\frac{n_3}{{\mathrm{\λ}}_3}-\frac{n_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{n_1}{{\mathrm{\λ}}_1})$

其中，n₁、n₂和n₃是非线性光学介质针对与在所述非线性光学介质中的波长转换有关的三个波长(λ₁、λ₂、λ₃)的折射率。

16.一种波长转换设备，包括：泵浦源，它能够改变其振荡波长或者能够在多个振荡波长之间切换；以及由权利要求15定义的波长转换器，其特征在于，所述波长转换器被配置成能够

通过外部提供的输入信号光和所述泵浦源提供的入射光而在所述非线性光学介质中生成差频光；以及

通过选择具有可使所述差频光的生成效率达到最大的相位失配量的泵浦光的波长来转换所述差频光的波长值。

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