基于同轴光纤的二次谐波产生器

摘要

本发明涉及一种基于同轴光纤的二次谐波产生器。它包括同轴光纤，同轴光纤通过模式耦合结构和非线性相位匹配结构构成二次谐波产生器。本发明是基于同轴光纤的二次谐波产生器，具有结构简单、均匀性好、成本低、适合大规模生产，可以与光纤熔接，对全光纤系统有很好的兼容性，适用于光纤通信、光纤激光系统等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于同轴光纤的二次谐波产生器，属光纤技术领域。

背景技术

近年来，基于同轴圆柱型光纤结构的非线性光学频率转换技术引起越来越多的关注。由于常规光纤中分子结构存在反演对称，二阶非线性极化率为零，通常不显示二阶非线性效应，因此激光技术中通常采用二阶极化率不为零的非线性晶体。光纤与晶体(波导)的耦合在某种程度不属于全光纤结构，更重要的是晶体的短作用长度极大地限制了转换效率。如果在基于光纤结构上实现非线性频率转换，其优势不仅是较高的耦合效率，而且相对长的有效相互作用距离，导致了很高的转换效率。基于此考虑，相关的研究工作已经在这方面得到深入的展开，目前主要有基于晶体的非线性光纤和基于改性的非线性石英光纤。

在激光加热的同时，通过电场极化技术生长出具有圆柱型的非线性晶体光纤，例如周期极化的铌酸锂、钽酸锂晶体光纤。另外，通过高温电极化、光极化和掺杂微晶技术，可以打破石英材料的中心对称结构，从而在熔融石英，热极化玻璃等材质中产生较大的、稳定的二阶非线性系数。为了有效的增强非线性频率转换的进程，通过对非线性晶体光纤或者是具有较高二阶非线性的热极化光纤施加周期性空间电场极化，二阶非线性系数得到周期性调制，就可以实现准相位匹配。

目前通过准位相匹配技术，二次谐波产生器已经可以在周期极化D形光纤，双孔光纤和光子晶体光纤中有效的实现。文献报道波长在1532nm的纳秒脉冲，石英光纤中的准相位匹配可以实现超过20％的转换效率。然而，这种准相位匹配技术的极化电压需要几千伏，并且在电极制作上相当复杂，很难精确实现准相位匹配条件，而且非线性频率发生的作用长度上受到极化电极长度的限制，这些缺陷，都极大的限制了上述二次谐波产生器的实用性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述二次谐波产生器的不足，公开一种基于同轴光纤的二次谐波产生器，具有结构简单、均匀性好、成本低、适合大规模生产等特点。

为了达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于同轴光纤的二次谐波产生器，包括同轴光纤，其特征在于所述同轴光纤是具有二阶非线性系数的光纤；所述同轴光纤为双包层结构光纤，或者为多包层结构光纤；所述同轴光纤具有模式耦合结构和非线性相位匹配结构。

上述同轴光纤的模式耦合结构是所述同轴光纤的芯层模和包层模之间的模式耦合。

上述同轴光纤的非线性相位匹配结构由所述同轴光纤的以下三个相位匹配条件控制：Δβ＝±κ_2ω、Δβ＝2κ_1ω±κ_2ω、Δβ＝-2κ_1ω±κ_2ω。

本发明的工作原理：

根据超模耦合理论，基次谐波和二次谐波的总电场可以表示为：

其中，，A_e，o和β_e，o分别代表横向的归一化超模场分布，电场幅度和HE₁₁，HE₁₂模式的传播常数，i的值1和2决定了该公式表示基次谐波或是二次谐波。当只有上述两种模式在同轴光纤中传播时，且当两种模式发生超模耦合时，即表示同轴光纤芯层区域的能量能够完全进入到包层区域，那么芯层区域和包层区域就会有相同的传播常数β_i。超模模式HE₁₁和HE₁₂的传播常数就表示为β_i的修正值，即：${\beta }_i^{e,o}={\beta }_i\pm {\kappa }_{\mathrm{i\omega }}.$这里，κ_iω表示耦合系数的大小。由此，可以定义耦合长度，即：$L_{\mathrm{icp}}=\pi /({\beta }_i^e-{\beta }_i^o)=\pi /2{\kappa }_{\mathrm{i\omega }},$表示在单位耦合长度内，能量完成一次从同轴光纤的芯层区域到包层区域的完全转换。

在具有较高二阶非线性的同轴光纤中，利用超模理论，二次谐波的产生在模式中满足光子的动量守恒原则，即两份的基频光子叠加产生一份的倍频光子，于是，基于同轴光纤结构，不同的模式组合就会产生以下三个相位匹配条件：

a.Δβ＝±κ_2ω；

b.Δβ＝2κ_1ω±κ_2ω；

c.Δβ＝-2κ_1ω±κ_2ω；

其中，Δβ是相位差，κ_1ω为基次谐波的耦合系数，κ_2ω为二次谐波的耦合系数。对于条件a，当二次谐波存在超模耦合时，则基次谐波的超模耦合非常的微弱，由于一个的基频o光子(基次谐波的HE₁₁模式)和一个的基频e光子(基次谐波的HE₁₂模式)可以产生一个倍频的o光子(二次谐波的HE₁₁模式)或是e光子(二次谐波的HE₁₂模式)，于是，就有：

$\Delta \bar{\beta }=|{{\beta }_2}^o-2·\frac{({{\beta }_1}^o+{{\beta }_1}^e)}{2}|=|{\beta }_2-{\kappa }_{2\omega }-{2\beta }_1|=0;$

或：$\Delta \bar{\beta }=|{{\beta }_2}^e-2·\frac{({{\beta }_1}^o+{{\beta }_1}^e)}{2}|=|{\beta }_2+{\kappa }_{2\omega }-{2\beta }_1|=0.$

所以，有Δβ＝|β₂-2β₁|＝±κ_2ω。

对于条件b中，考虑的情况是，两个基频o光子产生了一个的倍频o光子或e光子。所以，有：

$\Delta \bar{\beta }=|{{\beta }_2}^o-{{2\beta }_1}^o|=|{\beta }_2+{\kappa }_{2\omega }-2({\beta }_1+{\kappa }_{1\omega })|=0$

或：$\Delta \bar{\beta }=|{{\beta }_2}^e-{{2\beta }_1}^o|=|{\beta }_2-{\kappa }_{2\omega }-2({\beta }_1+{\kappa }_{1\omega })|=0$

所以，有Δβ＝|β₂-2β₁|＝2κ_1ω±κ_2ω。

对于条件c中，考虑的情况是，两个基频e光子产生了一个的倍频o光子或e光子。所以，有：

$\Delta \bar{\beta }=|{{\beta }_2}^o-{{2\beta }_1}^e|=|{\beta }_2+{\kappa }_{2\omega }-2({\beta }_1-{\kappa }_{1\omega })|=0$

或：$\Delta \bar{\beta }=|{{\beta }_2}^e-{{2\beta }_1}^e|=|{\beta }_2-{\kappa }_{2\omega }-2({\beta }_1-{\kappa }_{1\omega })|=0$

所以，有Δβ＝|β₂-2β₁|＝-2κ_1ω±κ_2ω。

于是，也可以定义非线性的相干长度，L_ch＝π/|Δβ|。这表明，当光传输单位相干长度时，可以完成一次从基频光到倍频光的完全转换。

若要产生完全转换的二次谐波，则需要有Δβ＝0。对于不同的条件a、b和c，其同轴光纤的结构也各不相同。

对于条件a，只要Δβ＝±κ_2ω，就可以满足二次谐波的产生条件，其对应的相干长度是：L_ch＝π/|κ_2ω|，比较耦合长度$L_{\mathrm{icp}}=\pi /({\beta }_i^e-{\beta }_i^o)=\pi /{2\kappa }_{\mathrm{i\omega }},$不难发现，2L_2cp＝L_ch。这表明，当非线性的相干长度达到二次谐波耦合长度的两倍时，由于二次谐波的耦合作用，会产生Δβ＝±κ_2ω的相位差，从而保证了Δβ＝0，即满足了二次谐波的产生条件，从而在同轴光纤结构下发生耦合。当光纤结构参数满足条件2L_cp＝L_ch时，就可以构成完全转换的二次谐波产生器。

对于条件b和c，当基次谐波发生完全耦合时，其二次谐波的两个模式(HE₁₁和HE₁₂模式)发生了简并，即其传播常数趋向于完全相等，即${{\beta }_2}^o\approx {{\beta }_2}^e,$于是，κ_2ω→0。所以条件b和c可以简写为一个条件，即Δβ≈±2κ_1ω，从而有L_1cp＝L_ch。这表明当非线性的相干长度等于基次谐波的耦合长度时，由于基次谐波的耦合作用，会产生Δβ＝±2κ_1ω的相位差，满足Δβ＝0的条件，产生完全转换的二次谐波，从而在同轴光纤结构下使得基次谐波发生超模耦合。当光纤结构参数满足条件L_1cp＝L_ch时，构成二次谐波产生器。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.该二次谐波产生器，是由较高二阶非线性的同轴光纤结构组成，通过同轴光纤的耦合特性，实现了二次谐波的完全转换，很好的兼顾光纤的制作工艺，因此具有结构简单、适于批量生产的特点。

2.由于无需对二阶非线性进行空间的周期调制，从而在沿着光纤传播的方向上，其结构是一致的，光纤结构尺寸精确决定了其相位匹配条件，因此均匀性好。

3.该二次谐波产生器可以与普通光纤熔接，耦合效率高，对全光纤系统有很好的兼容性，可以在光纤通信、光纤激光系统领域发挥巨大的作用。

附图说明

图1为本发明的实施例的结构和折射率示意图。

图2为图1示例满足二次谐波模式耦合的同轴光纤结构尺寸示意图。

图3为图1示例的同轴光纤长度匹配点示意图。

图4为图1示例可制作二次谐波产生器的同轴光纤结构尺寸参数图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图，并通过数值计算来进一步描述本说明。

参见图1，本基于同轴光纤的二次谐波产生器，包括同轴光纤，其特征在于同轴光纤是具有二阶非线性系数的光纤；同轴光纤为双包层结构光纤，或者为多包层结构光纤；同轴光纤具有模式耦合结构和非线性相位匹配结构。在铌酸锂材质制作的光纤中，选择性的掺入氧化镁改变折射率，或者在石英光纤中通过掺入氟或锗改变折射率，构成同轴光纤(1)的结构。

参见图1和2。通过同轴光纤(1)的折射率控制各个折射率段的厚度a、b和c，使得二次谐波发生耦合，即芯层(2)中的能量完全转换到包层(3)中，得到一组同轴光纤(1)的结构参数(4)。

参见图3，在这些同轴光纤(1)的结构参数(4)下，二次谐波都将发生模式耦合。通过每一组同轴光纤(1)的结构参数(4)，可以确定二次谐波的两倍耦合长度，即耦合周期，得到一组与同轴光纤(1)的结构参数(4)相对应的耦合周期(5)的值。通过同轴光纤(1)非线性的相位差Δβ和相干长度值确定一组同轴光纤(1)的结构参数(4)下的相干长度(6)的值。

参见图4，在图2和图3中的同轴光纤(1)的各个参数曲线形成了图4中的交点，满足条件a下的二次谐波转换条件，即Δβ＝±κ_2ω。条件Δβ＝±κ_2ω下的所有光纤结构参数就构成了满足要求的具有同轴光纤结构参数(7)的二次谐波产生器。