[发明专利]一种基于光子晶体的全光多波长转换方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及全光多波长转换技术，特别涉及一种基于光子晶体的全光多波长转换方法及其装置。

背景技术

波长转换技术是获取新光源的重要手段，在光纤通信、单光子探测、高容量光学数据存储、生物医疗诊断等领域具有极为广泛的应用前景。自从激光问世以来，波长转换技术就一直是光学界研究的热点之一，受到各国政府、科学家以及企业界的高度重视。

波长转换技术可分为光电光型波长技术和全光波长转换技术。前者是先对光信号进行探测并转换为电信号，再利用电信号去重新调制新的波长的激光器，从而实现信号的波长变换。但该技术由于引入了光-电-光过程，装置结构复杂，灵活性差，成本高，功耗大，而且经过光—电一光的转换，原先光信号的相位、幅度等信息会丢失，无法实现光信号的完全透明传输，速率受限于电子瓶颈(40Gb/s)。而全光波长转换技术可将输入波长信号在光域内直接转换到某一新的波长上，而无需经过信号在光/电域的转换，响应速度快，结构紧凑，因而全光波长转换是当前波长转换技术的发展趋势。

当前，绝大多数全光波长转换都是基于非线性光学材料，并借助非线性光学技术（如和频、差频、Raman频移、二次谐波、四波混频效应）来实现的。由于大部分光学材料的非线性系数都比较低，故为了产生可观的非线性效应，往往需要非常高的泵浦光功率密度，这使得非线性光学材料由体介质向光纤，并逐渐向微纳尺度方向发展。

随着上世纪末光子晶体和光子晶体光纤概念的相继提出，由于其优异的性能而备受重视。2003年，日本的T.Ishihara等人在由中心对称材料构成的光子晶体中观察到了二次谐波产生（SHG），当泵浦强度达到1MW/cm²时，SHG效率为10^-14。此后，国内的石建平等人在Si材料构成的非线性光子晶体波动结构中实现SHG，在完全相位匹配条件下，当泵浦强度为130MW/cm²时，SHG效率达到0.2%。2007年，王秋国等人实验研究了基于色散平坦非线性光子晶体光纤中四波混频效应的波长转换，得到了28nm的波长转换带宽。2010年，英国的B.Beaudou等人在空心非线性光子晶体光纤中充入氢气，在低功率1064nm激光器的泵浦下观察到了Raman频移。此外，日本的H.Fukuda等人从实验证实了利用四波混频过程可以在硅线波导中实现高速全光波长变换。但是，随着泵浦光功率的增加，硅线波导自由载流子吸收效应逐渐趋于明显，光功率密度会出现饱和的现象，从而影响到转换效率的进一步提高。

从上述报道来看，这些基于非线性光学材料的全光波长转换技术，尽管已取得很大进展，但仍面临着一些基本的困难啓需解决。例如，实现波长转换需要特定的入射光频率、足够高的泵浦光功率密度、严格的位相匹配条件等，而且，目前能用于波长转换的非线性光学材料还比较有限，这使得全光波长转换的波段及其应用范围受到限制。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于线性光子晶体的全光多波长转换方法，不需借助非线性光学效应，故不受非线性光学材料、位相匹配条件及泵浦光功率的限制。

本发明的另一目的在于提供一种基于线性光子晶体的全光多波长转换装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于光子晶体的全光多波长转换方法，包括以下步骤：

S1超短脉冲激光通过后侧线性光子晶体波导入射到后侧线性光子晶体反射腔镜，并将后侧线性光子晶体反射腔镜中央的第二点缺陷的缺陷模激励出来，第二点缺陷的缺陷模耦合入线性光子晶体谐振微腔，形成谐振模；所述第二点缺陷的缺陷模的波长与线性光子晶体谐振微腔所需输出的谐振模的波长相等；

S2频率位于线性光子晶体带隙范围内的单频连续激光从前侧线性光子晶体波导入射，透过前侧线性光子晶体反射腔镜后对线性光子晶体谐振微腔进行泵浦，使泵浦光能量转换成谐振模，并通过后侧线性光子晶体波导输出谐振模；所述单频连续激光的波长与前侧线性光子晶体反射腔镜中央的第一点缺陷的缺陷模波长相等。

一种基于光子晶体的全光多波长转换装置，包括连续光单频泵浦激光器、超短脉冲激光器、线性光子晶体多波长转换系统，所述线性光子晶体多波长转换系统包括由在线性光子晶体上依次排列的前侧线性光子晶体波导、前侧线性光子晶体反射腔镜、线性光子晶体谐振微腔、后侧线性光子晶体反射腔镜、后侧线性光子晶体波导组成；所述前侧线性光子晶体反射腔镜的中央设有第一点缺陷；所述后侧线性光子晶体反射腔镜的中央设有第二点缺陷；