一种带宽可调谐频率转化器及其控制方法

1.本技术涉及一种带宽可调谐频率转化器及其控制方法，属于非线性光学领域。


背景技术：

2.波长可调谐激光器通常用在dwdm中需要提供保护的场合。当前dwdm技术发展迅速，系统中的波长数已经达到了上百个。如果使用固定波长激光器对每个激光器进行备份，则会导致激光器数目增加，成本上升。而利用可调谐激光器作为备份，由于其波长可变，一个激光器可以对几个波长甚至整个波段的波长进行备份，从而降低成本。
3.c波段范围从1530nm到1565nm，代表的是常规波段。光纤在c波段中表现出最低的损耗，在长距离传输系统中占有较大的优势，通常应用在与wdm结合的许多领域。非线性频率变化技术为波长变换与拓展提供了可能，尤其是基于准位相匹配技术，可以通过灵活的周期设计，在其透光窗口实现任意波长输出。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种波长和温度可同时调谐的波导结构，它是由二氧化硅衬底、锥形周期极化铌酸锂波导、覆盖层、硅胶、金属铜和半导体制冷器所组成。其中核心部件为锥形周期极化铌酸锂波导。采用一基于周期极化铌酸锂波导的带宽可调谐频率转化器，可以将常规波段即c波段的光波进行倍频。
5.本技术的一个方面，提供了一种带宽可调谐频率转化器，所述带宽可调谐频率转化器包括依次叠加设置的衬底、锥形的周期极化铌酸锂波导、覆盖层、硅胶层、铜层和半导体制冷器。
6.可选地，所述锥形的周期极化铌酸锂波导具有相互平行的第一锥形侧面和第二锥形侧面；
7.所述第一锥形侧面和第二锥形侧面均具有窄端和宽端；
8.可选地，优选地，所述窄端宽度为d1，7.5≤d1≤7.52μm；
9.所述宽端宽度为d2，12.7≤d2≤13μm；
10.5.18≤d
2-d1≤5.5；
11.可选地，所述窄端宽度独立选自7.5μm、7.51μm、7.52μm中的任意值或上述任意两点间的任意值。
12.可选地，所述宽端宽度独立选自12.7μm、12.8μm、13μm中的任意值或上述任意两点间的任意值。
13.可选地，所述第一锥形侧面和第二锥形侧面间的垂直距离为9～9.5μm；
14.可选地，所述第一锥形侧面和第二锥形侧面间的垂直距离独立选自9μm、9.3μm、9.5μm中的任意值或上述任意两点间的任意值。
15.可选地，所述锥形的周期极化铌酸锂波导的极化周期为18～18.2μm，波导总长为43～45mm。
16.可选地，所述锥形的周期极化铌酸锂波导的极化周期独立选自18μm、18.1μm、18.2μm中的任意值或上述任意两点间的任意值。
17.可选地，所述锥形的周期极化铌酸锂波导的波导总长独立选自43mm、44mm、45mm中的任意值或上述任意两点间的任意值。
18.可选地，所述半导体制冷器包括第一半导体制冷器和第二半导体制冷器；
19.所述第一半导体制冷器用于调节所述锥形波导的窄端温度；
20.所述第二半导体制冷器用于调节所述锥形波导的宽端温度；
21.可选地，所述半导体制冷器的温度可调谐范围为30～150℃；即温度可调谐带宽为120℃。
22.可选地，所述衬底包括二氧化硅层i；
23.所述锥形的周期极化铌酸锂波导位于二氧化硅层i与覆盖层之间；
24.可选地，所述衬底还包括钽酸锂晶体层；
25.所述二氧化硅层i位于所述钽酸锂晶体层与所述锥形的周期极化铌酸锂波导之间；
26.可选地，所述二氧化硅层i的厚度为0.5～1μm；
27.所述覆盖层为二氧化硅层ii；所述二氧化硅层ii的厚度为1～10μm。
28.所述硅胶层厚度为1～20μm，所述铜层厚度为1～30μm。
29.可选地，所述二氧化硅层i的厚度独立选自0.5μm、0.7μm、1μm中的任意值或上述任意两点间的任意值。
30.可选地，所述二氧化硅层ii的厚度独立选自1μm、5μm、10μm中的任意值或上述任意两点间的任意值。
31.可选地，所述硅胶层厚度独立选自1μm、5μm、10μm、15μm、20μm中的任意值或上述任意两点间的任意值。
32.可选地，所述铜层厚度独立选自1μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm中的任意值或上述任意两点间的任意值。
33.本技术提供的带宽可调谐频率转化器，主要原理是光波在该锥形周期极化铌酸锂波导中传播时，发生倍频产生二次谐波，通过调节半导体制冷器的温度，即可调节波导不同位置温度，即可获得所需波段，可调谐的波长范围为c波段。
34.作为一种具体的实施方式，所述带宽可调谐频率转化器包括包括衬底钽酸锂晶体(lt)、0.5um厚度的衬底二氧化硅(sio2)、锥形的周期极化铌酸锂波导(mgo:ppln)、覆盖层二氧化硅(sio2)、硅胶(si)、金属铜(cu)、两个半导体制冷器(tec)。所述的锥形周期极化铌酸锂波导，一端宽度为7.5μm，一端宽度为13μm，高为9μm，极化周期为18μm，波导总长为45mm。
35.本技术的另一个方面，提供一种上述的带宽可调谐频率转化器的控制方法，包括：光波在所述周期极化铌酸锂波导中传播，通过调节所述周期极化铌酸锂波导的温度，输出所需波长。
36.可选地，所述光波的波段为常规波段c波段；
37.所述c波段为1530～1565nm，即波长可调谐带宽为35nm。
38.可选地，光波入射到所述周期极化铌酸锂波导中，通过所述半导体制冷器，控制所
述周期极化铌酸锂波导的窄端的温度和宽端的温度，输出所述波长。
39.可选地，所述窄端的温度为30～150℃；
40.所述宽端的温度为30～150℃。
41.可选地，所述窄端的温度独立选自30℃、100℃、150℃中的任意值或上述任意两点间的任意值。
42.可选地，所述宽端的温度独立选自30℃、100℃、150℃中的任意值或上述任意两点间的任意值。
43.可选地，所述的基于周期极化铌酸锂波导的带宽可调谐频率转化器可通过调节tec温度来获得所需波段，可调谐波长范围覆盖c波段，具有很高的实用价值。
44.本技术的再一个方面，提供一种上述的带宽可调谐频率转化器或上述的控制方法在生物医学研究、环境监测、光学精密测量、材料加工、国防安全中的应用。
45.本技术能产生的有益效果包括：
46.本技术所提供的一种基于周期极化铌酸锂波导的带宽可调谐频率转化器，其核心结构周期极化铌酸锂波导采用锥形结构，首尾通过两个半导体制冷器进行整个波导的控温，可调谐的波长范围覆盖c波段，可将c波段倍频，将有效应用于生物医学研究、环境监测、光学精密测量、材料加工、国防安全等领域。
附图说明
47.图1为本技术实施例1提供的一种基于周期极化铌酸锂波导的带宽可调谐频率转化器主视图；
48.图2为本技术实施例1提供的锥形周期极化铌酸锂波导俯视图；
49.图3为本技术实施例1提供的锥形周期极化铌酸锂波导结构示意图；
50.图4为本技术提供的实施例2波矢失配量与波导宽度的关系(波长为1530nm，t＝30℃)；
51.图5为本技术提供的实施例2波矢失配量与波导宽度的关系(波长为1565nm，t＝150℃)；
52.图6为本技术提供的实施例3波矢失配量与波导宽度的关系(波长为1546nm，t＝30℃)；
53.图7为本技术提供的实施例3波矢失配量与波导宽度的关系(波长为1550nm，t＝150℃)；
54.图8为本技术提供的实施例4波矢失配量与波导宽度的关系(波长为1540nm，t＝100℃)；
55.图9为本技术提供的实施例4波矢失配量与波导宽度的关系(波长为1557nm，t＝100℃)。
56.其中：
57.1、钽酸锂晶体；2、二氧化硅衬底；3、锥形周期极化铌酸锂波导(ppln)；
58.4、二氧化硅层；5、硅胶；6、金属铜层；7、第一块半导体制冷器(tec)；
59.8、第二块半导体制冷器(tec)；9、锥形周期极化铌酸锂波导的窄端；
60.10、锥形周期极化铌酸锂波导的宽端。
具体实施方式
61.下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
62.如无特别说明，本技术的实施例中的原料均通过商业途径购买。
63.实施例1
64.本实施例提供一种基于周期极化铌酸锂波导的带宽可调谐频率转化器，结构图如图1所示，由下至上，依次分别为：钽酸锂晶体1、二氧化硅衬底2、锥形周期极化铌酸锂波导(ppln)3、二氧化硅层4、硅胶5、金属铜层6；第一块半导体制冷器(tec)7和第二块半导体制冷器(tec)8分别位于金属铜层的上层，第一块半导体制冷器(tec)7位于锥形周期极化铌酸锂波导的窄端9处，第二块半导体制冷器(tec)8位于锥形周期极化铌酸锂波导的宽端10处；锥形周期极化铌酸锂波导的窄端9和锥形周期极化铌酸锂波导的宽端10的俯视图见图2，锥形周期极化铌酸锂波导结构示意图见图3。
65.二氧化硅衬底2的厚度为0.5um，锥形周期极化铌酸锂波导的窄端9的宽度为7.5um，锥形周期极化铌酸锂波导的宽端10的宽度为13um，高为9um，锥形周期极化铌酸锂波导的极化周期为18um，锥形周期极化铌酸锂波导的波导总长为45mm。
66.实施例2
67.本实施例提出一种基于周期极化铌酸锂波导的带宽，温度可调谐范围为30℃-150℃，波长可调谐范围覆盖c波段1530nm～1565nm，输出光谱范围为765nm～782.5nm。具体如下：
68.采用c波段入射到实施例1所获得的带宽可调谐频率转化器中的锥形周期极化铌酸锂波导(ppln)3晶体中，在锥形周期极化铌酸锂波导的窄端9处的第一块半导体制冷器(tec)7温度设为150℃，锥形周期极化铌酸锂波导的宽端10处第二块半导体制冷器(tec)8温度设为30℃，通过波导两端的tec控温，整个波导的温度将呈现一个梯度，波导各处的温度将各不相同，温度位于30℃和150℃之间，则1530nm的光波将在靠近锥形周期极化铌酸锂波导的宽端10处的位置倍频，1565nm的光波将在靠近锥形周期极化铌酸锂波导的窄端9处的位置倍频，波长在1530nm～1565nm之间的光波将在波导的不同处进行倍频。即该实施例，温度带宽120℃，波长带宽35nm。波矢失配量与波导宽度的关系见图4、图5。
69.实施例3
70.本实施例提出一种基于周期极化铌酸锂波导的带宽可调谐频率转化器，温度可调范围30℃～150℃，波长可调谐范围1546nm～1550nm，输出光谱范围为773nm～775nm。具体如下：
71.该实施例与实施例2的差异之处在于，将实施例1的温度反向，即锥形周期极化铌酸锂波导的窄端9处tec温度为30℃，锥形周期极化铌酸锂波导的宽端10处tec温度为150℃，则可倍频1546nm～1550nm波段，可调谐带宽减小。即该实施例，温度带宽120℃，波长带宽4nm。波矢失配量与波导宽度的关系见图6、图7。
72.实施例4
73.本实施例提出一种基于周期极化铌酸锂波导的带宽可调谐频率转化器，两端tec温度相同，都为100℃时，波长可调谐范围为1541nm～1557nm，输出光谱范围为770.5nm～778.5nm。具体如下：
74.该实施例与实施例2的差异之处在于，波导两端的温度均设为100℃，即在恒温条
件下，可倍频1541nm～1557nm波长的光波，可调谐带宽为16nm。波矢失配量与波导宽度的关系见图8、图9。
75.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。