CN110426907B - 一种光学频率转换方法、装置和设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光学频率转换方法、装置和设备，利用微纳光纤与传导光纤级联的方式，将现有采用一段较长微纳光纤作为频率转换介质的光学频率转换方式转换成由第一数量的较短微纳光纤与第二数量的传导光纤级联进行光学频率转换的方式，每段微纳光纤的长度不大于基频泵浦光信号与三倍频光信号的相干作用长度，级联各段微纳光纤产生的三倍频光相干叠加，通过调整基频泵浦光的入射功率控制各三倍频光分量之间的相位差，使其实现干涉相长，从而显著增强三倍频光信号，有效提高光学频率转换效率。
Description
技术领域
本申请涉及光学频率转换技术领域，尤其涉及一种光学频率转换方法、装置和设备。
背景技术
非线性光学频率转换是获得新波长相干光源的重要手段，目前已可采用多种类型的光纤实现光学频率转换，微纳光纤是其中一种，其具有亚波长直径，可由常规单模光纤经过拉锥装置绝热拉伸制备而成。
采用光纤作为频率转换介质时，提高转换效率是其实用化面临的主要问题。在具有合适直径的微纳光纤中，输入基频光波即可通过模式间相位匹配产生频率转换，频率转换过程还受SPM(Self-phase Modulation，自相位调制)和XPM(Cross-phase Modulation，交叉相位调制)等非线性效应的影响，所以对基频光的泵浦功率也很敏感。现有的研究表明，若微纳光纤长度仅为微米或毫米量级，由于基频光与谐波之间的作用长度有限，转换效率会很低，而采用长度为厘米量级的微纳光纤作为频率转换介质，并进行泵浦功率优化，可以在一定程度上提高转换效率，但是厘米量级的微纳光纤在传输光信号过程中，光信号的谐波功率会随光纤传输方向发生振荡，转换效果并不理想，因此，如何有效提高光学转换效率是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请提供了一种光学频率转换方法、装置和设备，用于有效提高光学转换效率。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种光学频率转换方法，包括：
将第一数量的微纳光纤和第二数量的传导光纤按每段所述微纳光纤的首尾连接有所述传导光纤的方式依次连接，得到级联光纤；
在所述级联光纤的输入端接入泵浦光源，通过所述泵浦光源向所述级联光纤输入基频泵浦光信号；
在所述级联光纤的输出端获取光学频率转换后的三倍频信号；
判断三倍频光信号是否为多光束干涉主极大值，若否，调整所述基频泵浦光信号的功率，直至所述三倍频光信号达到所述多光束干涉主极大值；
其中，每段所述微纳光纤的长度不大于所述基频泵浦光信号与所述三倍频信号的相干作用长度。
优选地，还包括：
根据预置光纤直径和预置光纤长度，制备所述微纳光纤。
优选地，所述根据预置光纤直径和预置光纤长度，制备所述微纳光纤，之前还包括：
建立光纤混合传导模式的本征方程；
求解所述本征方程，得到不同模式的有效折射率与光纤纤芯直径的关系；
根据所述有效折射率与光纤纤芯直径的关系，将满足基频基模和三倍频高阶模相位匹配的光纤纤芯直径作为预置光纤直径。
优选地，还包括：
根据所述微纳光纤的制备精度和所述泵浦光源的光功率范围，修正所述预置光纤直径。
优选地，所述根据预置光纤直径和预置光纤长度，制备所述微纳光纤，之前还包括：
根据所述泵浦光源的泵浦光与三倍频光在所述微纳光纤中的传输常数失配量，计算所述泵浦光与所述三倍频光的相干作用长度；
选取小于或等于所述相干作用长度的光纤长度作为所述预置光纤长度。
优选地，所述预置光纤直径的范围为765.5nm～767nm。
优选地，所述预置光纤长度为3mm。
本申请第二方面提供了一种光学频率转换装置，包括：
连接模块，用于将第一数量的微纳光纤和第二数量的传导光纤按每段所述微纳光纤的首尾连接有所述传导光纤的方式依次连接，得到级联光纤；
接入模块，用于在所述级联光纤的输入端接入泵浦光源，通过所述泵浦光源向所述级联光纤输入基频泵浦光信号；
获取模块，用于在所述级联光纤的输出端获取光学频率转换后的三倍频信号；
判断模块，用于判断三倍频光信号是否为多光束干涉主极大值，若否，调整所述基频泵浦光信号的功率，直至所述三倍频光信号达到所述多光束干涉主极大值；
其中，每段所述微纳光纤的长度不大于所述基频泵浦光信号与所述三倍频信号的相干作用长度。
优选地，还包括：
制备模块，用于根据预置光纤直径和预置光纤长度，制备所述微纳光纤；
建立模块，用于建立光纤混合传导模式的本征方程；
求解模块，用于求解所述本征方程，得到不同模式的有效折射率与光纤纤芯直径的关系；
选择模块，用于根据所述有效折射率与光纤纤芯直径的关系，将满足基频基模和三倍频高阶模相位匹配的光纤纤芯直径作为预置光纤直径；
修正模块，用于根据所述微纳光纤的制备精度和所述泵浦光源的光功率范围，修正所述预置光纤直径；
计算模块，用于根据所述泵浦光源的泵浦光与三倍频光在所述微纳光纤中的传输常数失配量，计算所述泵浦光与所述三倍频光的相干作用长度；
选取模块，用于选取小于或等于所述相干作用长度的光纤长度作为所述预置光纤长度。
本申请第三方面提供了一种光学频率转换设备，所述设备包括处理器以及存储器：
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面的任一种所述的光学频率转换方法。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请中，提供了一种光学频率转换方法，包括：将第一数量的微纳光纤和第二数量的传导光纤按每段微纳光纤的首尾连接有传导光纤的方式依次连接，得到级联光纤；在级联光纤的输入端接入泵浦光源，通过泵浦光源向级联光纤输入基频泵浦光信号；在级联光纤的输出端获取光学频率转换后的三倍频信号；判断三倍频光信号是否为多光束干涉主极大值，若否，调整基频泵浦光信号的功率，直至三倍频光信号达到多光束干涉主极大值；其中，每段微纳光纤的长度不大于基频泵浦光信号与三倍频信号的相干作用长度。
本申请中提供的光学频率转换方法，利用微纳光纤与传导光纤级联的方式，将现有采用一段较长微纳光纤作为频率转换介质的光学频率转换方式转换成由第一数量的较短微纳光纤与第二数量的传导光纤级联进行光学频率转换的方式，每段微纳光纤的长度不大于基频泵浦光信号与三倍频光信号的相干作用长度，级联各段微纳光纤产生的三倍频光相干叠加，通过调整基频泵浦光的入射功率控制各三倍频光分量之间的相位差，使其实现干涉相长，从而显著增强三倍频光信号，有效提高光学频率转换效率。
同时，本申请中提供的光学频率转换方法还具备以下有益效果：
(1)在微纳光纤长度已经大于基频光与谐波之间的相干作用长度时，受微纳光纤表面粗糙度的影响，谐波输出信号随入射泵浦功率的变化具有随机性，频率转换过程难以预测和控制，本申请基于级联各段微纳光纤产生的三倍频光相干叠加，输出的三倍频信号总体特性取决于相干叠加的特性，降低了各段所述级联微纳光纤表面粗糙度的随机性影响，将现有三倍频信号随入射泵浦功率的不规则变化关系转变成有规律的变化关系，提高了频率转换过程的可控性。
(2)现有的光纤拉锥装置很难制备1cm以上的微纳光纤，采用一段较长微纳光纤作为频率转换介质，会带来光纤制备困难的问题，本申请中利用微纳光纤与传导光纤级联的方式代替现有的采用一段较长微纳光纤作为频率转换介质，降低了微纳光纤的制备难度。
(3)在较短微纳光纤中，频率转换过程的竞争性非线性过程将被抑制，使输出三倍频信号的光谱特性获得改善。
附图说明
图1为本申请提供的一种光学频率转换方法的一个实施例的流程示意图；
图2为本申请提供的一种光学频率转换方法的另一个实施例的流程示意图；
图3为本申请提供的一种光学频率转换装置的一个实施例的结构示意图；
图4为本申请实施例中提供的级联光纤的结构示意图；
图5为采用长度为3mm的微纳光纤时，光纤末端的三倍频转换效率随光纤纤芯直径d与泵浦光入射功率P0的变化关系图；
图6为微纳光纤段数N＝1、长度L＝3mm时的三倍频转换效率-入射泵浦功率关系图；
图7为微纳光纤段数N＝1、长度L＝12mm时的三倍频转换效率-入射泵浦功率关系图；
图8为微纳光纤段数N＝1、长度L＝100mm时的三倍频转换效率-入射泵浦功率关系图；
图9为微纳光纤段数N＝4、每段的长度均为L＝3mm时的三倍频转换效率-入射泵浦功率关系图；
图10为微纳光纤段数N＝4、各段具有不同的随机直径波动而且长度依次为2.7mm/3mm/3.1mm/3.2mm时的三倍频转换效率-入射泵浦功率关系图；
图11为N束光的干涉因子的曲线图(N＝4)；
图12为级联光纤包含N个功能单元(N＝4)且每个功能单元的泵浦振幅透过率T＝1时，级联***的三倍频转换效率曲线图；
图13为级联光纤包含N个功能单元(N＝4)且每个功能单元的泵浦振幅透过率T＝0.76时，级联***的三倍频转换效率曲线图；
图14为基模基频光HE11(ω1)与不同模式三倍频光的有效折射率随二氧化硅光纤直径的变化关系图；
图15为实际光纤直径偏离修正后的预置光纤直径值时，泵浦光与三倍频光之间的线性传输常数失配量与直径偏离量之间的关系图；
其中，附图标记为：
401、传导光纤；402、微纳光纤。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1和图4，本申请提供的一种光学频率转换方法的一个实施例，包括：
步骤101、将第一数量的微纳光纤和第二数量的传导光纤按每段微纳光纤的首尾连接有传导光纤的方式依次连接，得到级联光纤；
其中，每段微纳光纤的长度不大于基频泵浦光信号与三倍频信号的相干作用长度。
步骤102、在级联光纤的输入端接入泵浦光源，通过泵浦光源向级联光纤输入基频泵浦光信号。
步骤103、在级联光纤的输出端获取光学频率转换后的三倍频信号。
需要说明的是，本申请实施例中提供的光学频率转换方法适用的光纤包括但不限于微纳光纤。微纳光纤是一种由常规单模光纤经过绝热拉伸而成的具有亚波长直径的光纤。
本申请实施例中，首先需要得到由第一数量的微纳光纤和第二数量的传导光纤级联的级联光纤，如图4所示，图4中L1、L2、L3、……、LN为微纳光纤的长度；L10、L20、L30、……、L(N+1)0为传导光纤的长度；P0是级联光纤输入端基频泵浦光的入射光功率，P1是级联光纤输出端基频泵浦光的剩余功率，P3是三倍频光的输出功率。一段微纳光纤与其后的一段传导光纤构成一个功能单元。为了保证级联光纤与其他光学设备的良好耦合，级联光纤的输入端与输出端一般均为传导光纤。微纳光纤与传导光纤的连接方式包括但不限于光纤熔接、光纤连接器等。
本申请光学频率转换包括但不限于二次谐波产生、三次谐波产生、四波混频等。为了更好的实现本申请技术方案的技术效果，本申请以二氧化硅微纳光纤中泵浦光三次谐波产生三倍频信号为例。在级联光纤的输入端接入泵浦光源，通过泵浦光源向级联光纤输入基频泵浦光信号，基频泵浦光信号在级联光纤中发生频率转换，在级联光纤的输出端输出三倍频光信号。
在现有的研究中，采用较长的微纳光纤作为光学频率转换介质时，微纳光纤的长度已经大于实际的基频泵浦光信号与三倍频光信号的相干作用长度，此时三倍频光功率会发生不规则振荡，制约了频率转换效率，并使三倍频输出不易操控，因此，本申请实施例中设置每段微纳光纤的长度不大于基频泵浦光信号与三倍频信号的相干作用长度。
步骤104、判断级联光纤输出的三倍频光信号是否为多光束干涉主极大值，若否，调整基频泵浦光信号的功率，直至三倍频光信号达到多光束干涉主极大值。
需要说明的是，在实际频率转换过程中，倍频光功率可能存在多个主极大值及多个次极大值，在本步骤中只要能够达到任一主极大值即可。也可根据实际需要变更所要达到的主极大值的级次。若利用级联光纤生成的倍频的光功率达到主极大值，则倍频转换的效率也达到主极大值，则无需调整入射泵浦功率。若倍频光功率没有达到主极大值，则说明倍频转换的效率还没有达到主极大值，需要利用功率放大单元和功率减小单元进行调节。为了判断输出的倍频光功率是否为主极大值，可采用的测量设备包括但不限于光功率计、光谱分析仪等。为了使入射泵浦功率调节更加准确，可以存在多次调节入射泵浦功率以确定入射泵浦功率的情况。
本申请实施例中提供的光学频率转换方法，利用微纳光纤与传导光纤级联的方式，将现有采用一段较长微纳光纤作为频率转换介质的光学频率转换方式转换成由第一数量的较短微纳光纤与第二数量的传导光纤级联进行光学频率转换的方式，每段微纳光纤的长度不大于基频泵浦光信号与三倍频光信号的相干作用长度，级联各段微纳光纤产生的三倍频光相干叠加，通过调整基频泵浦光的入射功率控制各三倍频光分量之间的相位差，使其实现干涉相长而达到主极大值，使得输出三倍频信号获得显著增强，从而有效提高了光学转换效率。
为了便于理解，请参阅图2，本申请实施例中提供了一种光学频率转换方法的另一个实施例，包括：
步骤201、建立光纤混合传导模式的本征方程。
步骤202、求解本征方程，得到不同模式的有效折射率与光纤纤芯直径的关系。
步骤203、根据有效折射率与光纤纤芯直径的关系选择满足基频基模和三倍频高阶模相位匹配的光纤纤芯直径作为预置光纤直径。
需要说明的是，本申请实施例中，首先需要设计微纳光纤(即光学频率转换光纤)的结构参数，结构参数包括光纤的纤芯直径和长度。选定微纳光纤的材料，微纳光纤的材料为二氧化硅(SiO2)，光纤外部为空气，SiO2典型的非线性折射率系数n(2)＝2.7×10-20m2/W。
本申请实施例的本征方程是光学领域常用的方程。设真空中光速为c，光的角频率为ω，波长为λ，传输常数为k＝2π/λ；设阶跃型光纤的纤芯折射率为n1，包层折射率为n2，纤芯的直径为d。光的传导模式在光纤中的传输常数为β＝(ω/c)neff，其中neff为对应模式在光纤中的有效折射率。设传导模的径向归一化相位常数为U，传导模的径向归一化衰减常数为W，光纤的归一化频率为V，它们的表达式分别为：
V2＝U2+W2， (3)
光纤中的混合传导模式为HEvm和EHvm，其中v和m分别表示模式的角向序数和径向序数。用J表示第一类贝塞尔函数，用K表示修正后的第二类贝塞尔函数，混合传导模式的本征方程为：
用数值方法求解本征方程，可得不同模式的传输常数β或者有效折射率neff与光纤纤芯直径d的关系，并得到第一光纤直径。获得高效频率转换的关键是基频光与三倍频光满足相位匹配条件，求解本征方程，得到基模基频光HE11(ω1)与不同模式三倍频光的有效折射率随微纳光纤直径的变化关系如图14，图14中粗实线代表基模基频光，细实线与细虚线代表三倍频光。从图13可以得到基频基模HE11(ω1)与三倍频HE12(3ω1)模的交点处光纤直径d1＝766.48nm，在此点，两个光波模式具有相等的有效折射率，也即它们在微纳光纤中的线性传输常数一样，可粗略地满足相位匹配条件，光纤直径即为微纳光纤的预置光纤直径。
步骤204、根据微纳光纤的制备精度和泵浦光源的光功率范围，修正预置光纤直径。
需要说明的是，步骤203得到的预置光纤直径是一个粗略估计的数值，并不是微纳光纤最终的直径大小。在得到预置光纤直径的基础上，可以根据光纤制造精度及频率转换拟采用的基频泵浦光功率范围修正预置光纤直径得到修正后的预置光纤直径，过程如下：
基频泵浦光入射到级联光纤中，通过非线性相互作用产生三次谐波，从而获得三倍频光输出。设光沿光纤的传输方向为z，泵浦光的角频率为ω1，三倍频光的角频率为ω3＝3ω1，则它们在光纤中的传输常数分别为
和
设泵浦光场是准连续的，则三次谐波过程由以下耦合模式方程组描述：
其中A1和A3分别为泵浦光和三倍频光的振幅，它们模的平方值为各自的功率，即|A1|2＝P1，|A3|2＝P3；α1和α3分别为泵浦光与三倍频光在光纤中的损耗系数，n(2)为光纤的非线性折射率系数，k1为泵浦光在真空中的传输常数，δβ＝β3-3β1为泵浦光与三倍频光在光纤中的传输常数失配量。j为光场的非线性重叠积分，其值决定于对应两个传输模式的光场分布及光纤直径，其中j3为泵浦光与三倍频光间的重叠积分，j1和j5分别反映泵浦光和三倍频光的SPM效应，j2反映泵浦光与三倍频光间的XPM效应。
由于谐波转换过程同时存在SPM/XPM效应，总的传输常数失配量可表示为：
δβtol(z)＝δβ(z)+δβNL(z)， (7)
其中δβ为线性部分，对于一定的传导模式，δβ取决于微纳光纤的纤芯直径d，可通过求解本征方程得出。光纤有一定的制造精度，而且不可避免地具有表面粗糙度，因此，实际的光纤纤芯直径可表示为d＝d0+Δd+δd(z)，其中d0为预期值，Δd为实际值与预期值的平均偏差，δd(z)为随机的直径波动。因此，微纳光纤拉制后，δβ大致确定，但它并不为常数，而是随着微纳光纤的传输方向z有随机的小幅波动。δβNL则为SPM与XPM产生的非线性相移量，它可表示为：
δβNL(z)＝3k1n(2)[(2j2-j1)P1(z)+(j5-2j2)P3(z)]， (8)
设泵浦光的入射功率为P1(z＝0)＝P0，则频率转换过程中的泵浦光功率P1(z)及三倍频功率P3(z)都与其相关；非线性重叠积分j则与纤芯直径d相关。显而易见，光纤纤芯直径d与泵浦光的入射功率P0将共同对总的传输常数失配量δβtol产生作用，从而影响三倍频的转换效率。
实际中，光纤粗糙度引起的线性随机相位失配量及SPM/XPM效应引入的非线性相移量足以将频率转换效率降低若干个数量级。因此，要在实际应用中获得高效的频率转换，就要在***设计时综合考虑以上影响因素。
设频率转换效率为η＝P3/P0，则关系η-d-P0可采用数值方法求解式(4)和(5)、(6)来获得。在上述预置光纤直径的基础上，可根据光纤制造精度及拟采用的入射泵浦光功率范围对其进行修正，获得修正后的预置光纤直径，并根据修正后的预置光纤直径制造光纤。
步骤205、根据泵浦光源的泵浦光与三倍频光在微纳光纤中的传输常数失配量，计算泵浦光与三倍频光的相干作用长度。
步骤206、选取小于或等于相干作用长度的光纤长度作为预置光纤长度。
需要说明的是，本申请实施例中需要设计微纳光纤的长度。内容包括：计算基频光与三倍频光的相干作用长度，并根据相干作用长度估算优化的光纤长度以便根据优化的光纤长度制造光纤。
其中，基频光与三倍频光的相干作用长度为：
根据步骤204中的η-d-P0关系可确定一组优化的(d,P0)数值，将它们代入(式8)和(式7)，并联立本征方程式(4)，可估算总的传输常数失配量δβtol，从而通过式(9)计算出相干作用长度Lc。若频率转换光纤的长度小于相干作用长度，则三倍频信号强度可沿传输方向单调地增长；若频率转换光纤的长度大于所述相干作用长度，则三倍频信号会沿传输方向发生不规则的振荡。为了使频率转换过程易于操控，频率转换光纤的长度应不大于相干作用长度(为了最大限度地增强三倍频信号，微纳光纤的最优长度等于相干作用长度)。
可以理解的是，实际中，总的传输常数失配量δβtol无法准确获得，根据(式9)计算的相干作用长度仅是一个粗略估计的数值，需要通过数值模拟和试验来修正。数值模拟即通过求解式(5)、(6)来获得三倍频转换效率随光纤传输方向的变化趋势，亦即η-z的关系，若该关系为单调增长，则光纤长度不大于相干作用长度，可采用；若三倍频出现饱和和振荡，则应将光纤长度修正至一个较小的数值。试验可测量该长度光纤的输出三倍频信号随入射泵浦功率的变化趋势，亦即η-P0的关系，若该关系为单调增长，则光纤长度在所采用的泵浦功率范围均不大于相应的相干作用长度。试验中可同时测量三倍频输出光谱，若光谱未被展宽，说明在该长度的频率转换光纤中，其他竞争性的非线性物理过程未被激发，光纤长度在实际中是适用的；若光谱被展宽，则应将光纤长度修正至一个较小的数值。
此外，所设计的频率转换光纤长度在拟采用的光纤制造设备上应可实现。易见，相干长度越长，越有利于提高频率转换效率，但由式(9)可知，相干作用长度越长，意味着可容许的总的传输常数失配量越小，亦即微纳光纤的纤芯直径的实际值与预期值的可容许偏差越小，对光纤制造设备的制造精度要求越高。因此，在设计频率转换光纤的长度时，应充分考虑拟采用的光纤制造设备的制造精度。
步骤207、根据预置光纤直径和预置光纤长度，制备微纳光纤。
需要说明的是，本申请实施例中，得到微纳光纤的预置光纤直径和预置光纤长度之后，根据预置光纤直径和预置光纤长度制备微纳光纤，其中，预置光纤直径可以是步骤203中得到的预置光纤直径，也可以是步骤204中得到的修正后的预置光纤直径。
步骤208、将第一数量的微纳光纤和第二数量的传导光纤按每段微纳光纤的首尾连接有传导光纤的方式依次连接，得到级联光纤；
其中，每段微纳光纤的长度不大于基频泵浦光信号与三倍频信号的相干作用长度。
步骤209、在级联光纤的输入端接入泵浦光源，通过泵浦光源向级联光纤输入基频泵浦光信号。
步骤210、在级联光纤的输出端获取光学频率转换后的三倍频信号。
需要说明的是，本申请实施例中的步骤208至步骤210与上一实施例中的步骤101至步骤103一致，在此不再进行赘述。
步骤211、判断级联光纤输出的三倍频光信号是否为多光束干涉主极大值，若否，调整基频泵浦光信号的功率，直至三倍频光信号达到多光束干涉主极大值。
需要说明的是，设入射到级联光纤的泵浦功率为P0＝|A0|2，由于传导光纤的泵浦光损耗很小，至第一段频率转换光纤入射面的泵浦功率仍约为P0；近似地，设每一个功能单元的泵浦振幅透过率均为T，每一段频率转换光纤的三倍频功率转换效率均为η0。根据已有的研究结果，η0≈gP0 2，其中g为一个由光纤非线性折射率系数n(2)、泵浦光与三倍频光之间的非线性重叠积分j3等参数决定的系数。泵浦光通过第n(n＝1,2,……,N)段频率转换光纤时，独立地产生复振幅为A3n的三倍频光，级联***末端输出的三倍频复振幅为所有三倍频复振幅的叠加。
为简单起见，设L1＝L2＝L3＝…LN＝L，L10＝L20＝L30＝…＝L(N+1)0＝L0，则所述级联***末端输出的三倍频复振幅可写为：
其中Δ为从相邻的两个频率转换光纤产生的三倍频光的相位差。Δ实际为三倍频光经过一个功能单元的相位变化，若忽略泵浦光和三倍频光随传输距离的动态变化，它可近似表达为：
式(11)第一个方括号中为三倍频通过传导光纤产生的相位变化，包括线性传输引起的部分与非线性调制SPM/XPM引起的部分；类似地，第二个方括号中为三倍频通过频率转换光纤产生的相位变化。式(11)中的β30和β3分别为三倍频在传导光纤与微纳光纤中的传输常数，j50和j5、j20和j2分别为它们中描述SPM和XPM的非线性重叠积分。(一般而言，频率转换光纤的纤芯材料与传导光纤的纤芯材料不同，它们应具有不同的非线性折射率系数n(2)，这里近似地认为它们的值相等。)
若经过一个功能单元的泵浦振幅透过率T＝1，则式(10)可简化为
即级联光纤输出的三倍频功率为
相应地，级联光纤总的三倍频转换效率为
其中，
为多光束干涉因子，表明级联光纤的三倍频信号是单段光纤三倍频信号与干涉两种效应共同作用的结果。
从多光束干涉因子可知，当Δ＝2mπ(m＝0,±1,±2,…)时，它有极大值N2，这些极大值称为主极大，m为主极大的级次；当
等于π的整数倍而
不是π的整数倍时，即
它有极小值，其数值为零；在相邻两个零值之间有一个次极大。容易看出，在相邻两个主极大之间有N-1个零值，有N-2个次极大值。请参见图11，图11为N束光的干涉因子的曲线(N＝4)。相邻两个零值之间(Δm′＝1)的相位差间隔为δΔ＝2π/N，结合式(11)，可得相邻两个零值之间的泵浦功率间隔为
主极大与其相邻的一个零值之间的泵浦功率间隔也是式(15)的形式。每一段频率转换光纤的三倍频功率转换效率η0远小于1，而非线性重叠积分j50和j20(j5和j2)具有相同的量级，因此式(15)中SPM的作用远小于XPM，若将其忽略，可得如下的简化形式
各级主极大受到单段光纤的三倍频功率转换效率gP0 2的调制，即各级转换效率主极大为η＝N2gP0 2。把式(14)和式(11)结合，可得图12，图12为级联光纤包含N个功能单元(N＝4)且每个功能单元的泵浦振幅透过率T＝1时，级联光纤的三倍频转换效率曲线，其中的虚线为一个功能单元产生的三倍频功率转换效率因子的曲线。
当式(10)中一个功能单元的泵浦振幅透过率T<1时，上述规律仍然存在，但如式(16)所示，T的取值会影响主极大之间的间隔。请参见图13，图13为级联光纤包含N个功能单元(N＝4)且每个功能单元的泵浦振幅透过率T＝0.76时，级联光纤的三倍频转换效率曲线，其中的虚线为一个功能单元产生的三倍频功率转换效率因子的曲线。
可以理解的是，基于级联光纤的输出端的光信号混杂了通过频率转换产生的倍频光以及未经转换的剩余基频光。可在级联光纤的输出端连接光学滤波器，对级联光纤输出信号作特定波段的滤波处理，以获取所需的倍频信号。
进一步的，预置光纤直径的范围为765.5nm～767nm；
预置光纤长度为3mm。
需要说明的是，本申请实施例中，根据修正后的预置光纤直径d2＝766.30nm制备微纳光纤时，请参见图15，图15为实际光纤直径偏离修正后的预置光纤直径时，泵浦光与三倍频光之间的线性传输常数失配量与直径偏离量之间的关系。按照已有的研究结果估计光纤直径的最大偏离量约为1nm，则线性传输常数失配量δβ≈2000m-1，再取泵浦光入射功率在2000W附近，则可粗略估计总的传输常数失配量δβtol≈1000m-1。因此，根据基频光与三倍频光的相干作用长度
δβtol为总的传输常数失配量，基频光与三倍频光的相干作用长度为Lc≈3mm。数值模拟及已有的试验结果表明，频率转换光纤长度取3mm是适用的，而且该长度在一般的微纳光纤制造设备上均较容易实现。
以下对本申请实施例中的光学频率转换方法的实施流程进行说明：
为了调控入射到级联光纤的泵浦光功率，在泵浦光源之后加入光放大器及可调的光衰减器，前者用于提高光功率，后者用于灵活控制实际入射到***的泵浦功率。采用准连续光泵浦光纤，泵浦光和三倍频光在真空中的波长分别为λ1＝1550nm，λ3＝517nm。微纳光纤材料为二氧化硅(SiO2)，光纤外部为空气，SiO2典型的非线性折射率系数n(2)＝2.7×10- 20m2/W。
求解光纤模式的本征值方程，得到基模基频光HE11(ω1)与不同模式三倍频光的有效折射率随微纳光纤直径的变化关系，请参见图14。图14中粗实线代表基模基频光，细实线与细虚线代表三倍频光。从图14可以得到基频基模HE11(ω1)与三倍频HE12(3ω1)模的交点处光纤直径d1＝766.48nm，在此点，两个光波模式具有相等的有效折射率，也即它们在微纳光纤中的线性传输常数一样，可粗略地满足相位匹配条件，光纤直径即为微纳光纤的预置光纤直径。
采用数值方法求解式(4)和式(5)、式(6)，获得关系η-d-P0，请参见图5，图5为采用长度为3mm的频率转换光纤、光纤纤芯直径d在765.5nm-767nm之间、泵浦光的入射功率P0在0-3000W之间时，三倍频的预期转换效率(未考虑泵浦光与三倍频光的损耗)。可见，当把SPM/XPM引入的非线性相移考虑在内，在上述预置光纤直径d1＝766.48nm处，三倍频转换效率较低。若设定泵浦光入射功率在2000W附近，可取修改后的预置光纤直径d2＝766.30nm，并根据此数值制造光纤。值得注意的是，微纳光纤制造有一定的直径精度，微纳光纤表面也有一定的随机粗糙度，所以修改后的预置光纤直径的取值并非唯一，可在实际中经过若干次试验，进行修改后的预置光纤直径取值的优化。
根据修改后的预置光纤直径d2＝766.30nm制备微纳光纤，请参见图15，图15为实际光纤直径偏离修改后的预置光纤直径值时，泵浦光与三倍频光之间的线性传输常数失配量与直径偏离量之间的关系。按照已有的研究结果估计光纤直径的最大偏离量约为1nm，则线性传输常数失配量δβ≈2000m-1，再取泵浦光入射功率在2000W附近，则可粗略估计总的传输常数失配量δβtol≈1000m-1。因此，根据式(9)，基频光与三倍频光的相干作用长度为Lc≈3mm。数值模拟及已有的试验结果表明，微纳光纤长度取3mm是适用的，而且该长度在一般的微纳光纤制造设备上均较容易实现。
选用二氧化硅单模光纤，通过绝热拉伸法进行拉锥以制备4段微纳光纤。微纳光纤的直径均设定为d2＝766.30nm，为了简单起见，每段的长度均取为3mm，即L1＝L2＝L3＝L4＝3mm。
上述单模光纤在基频波长1550nm处数值孔径NA＝0.14，功率损耗系数为α1＝0.5dB/km；三倍频波长517nm偏离该单模光纤的低损耗窗口，为了进行粗略的数值分析，设其功率损耗约为基频光的20倍，即α3＝10dB/km。上述微纳光纤由单模光纤拉锥而成，同时采用单模光纤未拉锥的部分作为传导光纤。取5段传导光纤，令各段的长度相等，考虑实际连接的需要，取传导光纤长度L10＝L20＝L30＝L40＝L50＝50cm。
将上述频率转换光纤与传导光纤按照图4依次连接成一个级联光纤，并令级联光纤中光信号的输入和输出端均为传导光纤。
将波长为1550nm的基频泵浦光从长度为L10的传导光纤耦合进级联光纤，将从长度为L50的传导光纤输出的光耦合到光纤滤波器，取出波长为517nm的三倍频信号光，并用光谱仪进行观测。调节入射泵浦功率，直至三倍频信号功率达到主极大值。
为使本申请实施例的优点更加清楚，下面结合图6至图9对本申请实施例的技术效果进行描述，图6至图9为级联光纤具有不同参数时的三倍频转换效率图。其中：
图6为微纳光纤段数N＝1、长度L＝3mm时的三倍频转换效率-入射泵浦功率关系图，其输出效率ηoutput随着入射泵浦功率P0单调增长，但由于作用长度有限，即使将P0提高到3000W，转换效率仍然不足1％。
图7为微纳光纤段数N＝1、长度L＝12mm时的三倍频转换效率-入射泵浦功率关系图。由于L超过了相干作用长度Lc，三倍频功率沿着传输方向发生振荡，入射泵浦功率P0通过非线性相移影响该振荡周期，从频率转换光纤末端输出的可能是三倍频功率振荡的峰值或谷值或它们之间的任意一个值，因此，会存在一些最佳的入射泵浦功率值。如图7中三倍频输出效率在P0＝1794W和P0＝2759W时分别达到了极值。与图6比较，尽管光波作用长度增长为4倍，但三倍频沿传输方向的振荡限制了总体的频率转换效果，转换效率不足2％。而且，12mm长的微纳光纤制备难度显著加大，整体也脆弱易断，影响了倍频***的鲁棒性。
图8为微纳光纤段数N＝1、长度L＝100mm时的三倍频转换效率-入射泵浦功率关系图。与图7相比，因为作用长度更长，三倍频功率的振荡更加显著，出现了更多的极值点，并且在P0＝2246W时取得了4％的最大转换效率。这种情况下，微纳光纤表面随机粗糙度的影响非常严重，三倍频功率与入射泵浦功率的关系是无规则的，无法预测增大入射泵浦功率后三倍频的输出效果如何，频率转换过程无明显规律可循，难以操控。
图9为微纳光纤段数N＝4、每段的长度均为L＝3mm时的三倍频转换效率-入射泵浦功率关系图。曲线出现3个主极大值，且所述主极大值随泵浦功率增大而增大，分别为：P0＝935W时ηoutput＝2.62％；P0＝1869W时ηoutput＝8.89％；P0＝2819W时ηoutput＝12.51％。两个主极大值之间存在2个次极大值。这个过程可以理解为从不同微纳光纤中产生的三倍频信号在***的输出端叠加发生了多光束干涉现象，当各三倍频信号之间相位相同时，产生干涉加强，当各三倍频信号之间相位相反时，产生干涉减弱。
比较图6与图9可知，将相同的短频率转换光纤级联，可以非常显著地提高三倍频转换效率；比较图7、图8与图9可知，将较长的微纳光纤分成若干等分，再级联起来，可以提高总体的频率转换效率，而且三倍频信号更有规律，更容易操控。级联的各段微纳光纤产生的三倍频光发生相干叠加，三倍频信号总体输出特性取决于多光束干涉特性，降低了各段微纳光纤表面粗糙度的随机性影响。
值得注意的是，图9中4段频率转换光纤是完全相同的，它仅为一种理想的情形，因为任何光纤制造设备都存在制造误差，每次制造过程也会受到随机因素的影响，不可能制造出完全均一的若干段频率转换光纤或者传导光纤。考虑实际制造误差时的效果可参见图10，图10为微纳光纤段数N＝4、各段具有不同的随机直径波动而且长度依次为2.7mm/3mm/3.1mm/3.2mm时的三倍频转换效率-入射泵浦功率关系图。可以发现，各段微纳光纤因为制造误差而略有差异时，主极大值的大小有所改变，但三倍频信号的规律并没有发生明显的变化。可见，本申请所提供的光学频率转换方法对***器件的制造误差具有较高的容忍度，因此级联光纤更易获得。
为了便于理解，请参阅图3，本申请中还提供了一种光学频率转换装置的实施例，包括：
连接模块301，用于将第一数量的微纳光纤和第二数量的传导光纤按每段微纳光纤的首尾连接有传导光纤的方式依次连接，得到级联光纤。
接入模块302，用于在级联光纤的输入端接入泵浦光源，通过泵浦光源向级联光纤输入基频泵浦光信号。
获取模块303，用于在级联光纤的输出端获取光学频率转换后的三倍频信号。
其中，每段微纳光纤的长度不大于基频泵浦光信号与三倍频信号的相干作用长度。
判断模块304，用于判断级联光纤输出的三倍频光信号是否为主极大值，若否，调整基频泵浦光信号的功率，直至三倍频光信号达到多光束干涉主极大值。
制备模块305，用于根据预置光纤直径和预置光纤长度，制备微纳光纤。
建立模块306，用于建立光纤混合传导模式的本征方程。
求解模块307，用于求解本征方程，得到不同模式的有效折射率与光纤纤芯直径的关系。
选择模块308，用于根据有效折射率与光纤纤芯直径的关系选择满足基频基模和三倍频高阶模相位匹配的光纤纤芯直径作为预置光纤直径。
修正模块309，用于根据微纳光纤的制备精度和泵浦光源的光功率范围，修正所述预置光纤直径。
计算模块310，用于根据泵浦光源的泵浦光与三倍频光在微纳光纤中的传输常数失配量，计算泵浦光与三倍频光的相干作用长度。
选取模块311，用于选取小于或等于相干作用长度的光纤长度作为预置光纤长度。
本申请中还提供了一种光学频率转换设备，设备包括处理器以及存储器：
存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给所述处理器；
处理器用于根据程序代码中的指令执行前述的光学频率转换方法的实施例中的光学频率转换方法。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种光学频率转换方法，其特征在于，包括：
将第一数量的微纳光纤和第二数量的传导光纤按每段所述微纳光纤的首尾连接有所述传导光纤的方式依次连接，得到级联光纤；
在所述级联光纤的输入端接入泵浦光源，通过所述泵浦光源向所述级联光纤输入基频泵浦光信号；
在所述级联光纤的输出端获取光学频率转换后的三倍频信号；
判断三倍频光信号是否为多光束干涉主极大值，若否，调整所述基频泵浦光信号的功率，直至所述三倍频光信号达到所述多光束干涉主极大值；
其中，每段所述微纳光纤的长度不大于所述基频泵浦光信号与所述三倍频信号的相干作用长度。
2.根据权利要求1所述的光学频率转换方法，其特征在于，还包括：
根据预置光纤直径和预置光纤长度，制备所述微纳光纤。
3.根据权利要求2所述的光学频率转换方法，其特征在于，所述根据预置光纤直径和预置光纤长度，制备所述微纳光纤，之前还包括：
建立光纤混合传导模式的本征方程；
求解所述本征方程，得到不同模式的有效折射率与光纤纤芯直径的关系；
根据所述有效折射率与光纤纤芯直径的关系，将满足基频基模和三倍频高阶模相位匹配的光纤纤芯直径作为预置光纤直径。
4.根据权利要求3所述的光学频率转换方法，其特征在于，还包括：
根据所述微纳光纤的制备精度和所述泵浦光源的光功率范围，修正所述预置光纤直径。
5.根据权利要求2所述的光学频率转换方法，其特征在于，所述根据预置光纤直径和预置光纤长度，制备所述微纳光纤，之前还包括：
根据所述泵浦光源的泵浦光与三倍频光在所述微纳光纤中的传输常数失配量，计算所述泵浦光与所述三倍频光的相干作用长度；
选取小于或等于所述相干作用长度的光纤长度作为所述预置光纤长度。
6.根据权利要求2所述的光学频率转换方法，其特征在于，所述预置光纤直径的范围为765.5nm～767nm。
7.根据权利要求2所述的光学频率转换方法，其特征在于，所述预置光纤长度为3mm。
8.一种光学频率转换装置，其特征在于，包括：
连接模块，用于将第一数量的微纳光纤和第二数量的传导光纤按每段所述微纳光纤的首尾连接有所述传导光纤的方式依次连接，得到级联光纤；
接入模块，用于在所述级联光纤的输入端接入泵浦光源，通过所述泵浦光源向所述级联光纤输入基频泵浦光信号；
获取模块，用于在所述级联光纤的输出端获取光学频率转换后的三倍频信号；
判断模块，用于判断三倍频光信号是否为多光束干涉主极大值，若否，调整所述基频泵浦光信号的功率，直至所述三倍频光信号达到所述多光束干涉主极大值；
其中，每段所述微纳光纤的长度不大于所述基频泵浦光信号与所述三倍频信号的相干作用长度。
9.根据权利要求8所述的光学频率转换装置，其特征在于，还包括：
制备模块，用于根据预置光纤直径和预置光纤长度，制备所述微纳光纤；
建立模块，用于建立光纤混合传导模式的本征方程；
求解模块，用于求解所述本征方程，得到不同模式的有效折射率与光纤纤芯直径的关系；
选择模块，用于根据所述有效折射率与光纤纤芯直径的关系，将满足基频基模和三倍频高阶模相位匹配的光纤纤芯直径作为预置光纤直径；
修正模块，用于根据所述微纳光纤的制备精度和所述泵浦光源的光功率范围，修正所述预置光纤直径；
计算模块，用于根据所述泵浦光源的泵浦光与三倍频光在所述微纳光纤中的传输常数失配量，计算所述泵浦光与所述三倍频光的相干作用长度；
选取模块，用于选取小于或等于所述相干作用长度的光纤长度作为所述预置光纤长度。
10.一种光学频率转换设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-7任一项所述的光学频率转换方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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