[发明专利]差频混频级联掺镁近化学比铌酸锂全光波长转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种差频混频级联掺镁近化学比铌酸锂全光波长转换器，一种基于级联结构的倍频差频波长转换器。这是一种全光器件，它主要适用于波分复用光通信系统，可以实现系统中宽带可调谐的单信道光波长转换或多信道同时波长转换。本发明具体包括近化学比掺镁铌酸锂波导的制备以及准相位匹配周期性微结构的设计和制作过程。本发明属于晶体材料学领域以及光通信领域。

背景技术

密集波分复用技术(DWDM)目前被广泛应用于光纤通信网络中，它通过在一根光纤中同时传输若干路不同波长、间隔适当且相互独立的光信号，从而使同一根光纤信息传输的等效比特率增加若干倍。光波长转换器被认为是DWDM光通信网络的关键器件之一，而全光波长转换(AOWC)是未来DWDM光传送网关键技术，近年来一直是国内外研究的热点。它能实现光信号从一个波长到另一个波长的全光复制，克服了传统的光-电-光型波长转换器产生电子瓶颈、透明性差和结构复制等显著缺点，在网络互联、光开关、光交叉连接、波长路由和波长再用等方面有着广阔的应用前景和商业价值。

与几种常见的AOWC技术如交叉增益调制(XGM)、交叉相位调制(XPM)和电吸收(EA)调制相比，基于准相位匹配(QPM)光波导的级联二阶非线性效应型AOWC技术，具有许多独特的技术优势，它利用晶体非线性效应产生新频率光场来实现波长转换，可完全复制原信号光的强度和相位信息，并且非线性作用响应时间极短(fs量级)，所以是唯一严格意义上的对信号光速率和调制形式完全透明的AOWC技术。此外这种技术还具有独特的多波长同时转换能力，转换过程噪声指数极低，转换后波形无畸变，并且潜在的可转换带宽对光纤工作波段透明。

众所周知，铌酸锂晶体以其优异的光电性能，成为制备周期极化准相位匹配光学器件的常用材料之一。但一般条件下生长出来的同成分铌酸锂晶体([Li]∶[Nb]＝48.5∶51.5)存在着光折变引起的光损伤效应以及室温下极化电场过大(通常在21kV/mm左右)等缺点，这已成为制约其作为光频转换器件高效转换和大功率输出的主要障碍，极大限制了器件的实用化。但是通过提高铌酸锂晶体中的[Li]/[Nb]的值，能极大地降低其铁电畴的极化反转电场，较低的极化电场无疑有利于提高晶体极化厚度和周期畴结构；同时，提高铌酸锂晶体中的[Li]/[Nb]的值，也可以大大降低抗光损伤铌酸锂晶体的掺镁阈值，只需少量的镁掺入就能极大地提高晶体的抗光损伤能力。这里可以将降低畴极化电场和提高晶体的抗光损伤能力有机结合起来，采用气相输运平衡(vapor transportequilibration)技术，对掺镁LiNbO₃晶体进行近化学计量处理，不仅使其光折变阈值提高了4个量级，同时使极化电场降低到4.5kV/mm以下。

目前在LiNbO₃上制作光波导主要采用钛扩散和退火质子交换法两种。与Ti:LiNbO₃光波导相比，H:LiNbO₃具有如下特点：

(1)波导制作工艺温度低，不会扰乱光波导中的晶格结构且技术简单，形成光波导的速度快；

(2)H:LiNbO₃光波导在一定程度上提高了抗光损伤能力，比Ti扩散波导至少高4个数量级；

(3)折射率分布为阶跃性分布，且可由后续工艺(如退火工艺)在较大的范围内调节；

(4)在可见光波段，H:LiNbO₃光波导具有较高的光折变损伤阈值。但是H:LiNbO₃光波导也存在以下缺点：

(1)对Y切LiNbO₃光波导，除少数酸度较弱的质子源(如硬脂酸)，大部分的酸会使其表面损伤；

(2)H:LiNbO₃光波导的传输损耗较大；

(3)波导折射率分布不稳定，随放置时间而变化；

(4)电光系数及非线性系数下降严重。

但采用合适的缓冲质子源(如在苯甲酸中加入适量的苯甲酸锂)或对交换后的波导再进行退火处理(APE波导)可以有效改善H:LiNbO3光波导的光学特性。