專利名稱：基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光子晶體集成器件領(lǐng)域，涉及二維光子晶體、光子晶體線缺陷波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)缺陷、非線性介質(zhì)、光學(xué)“非”門、波導(dǎo)光程差，特別涉及一種基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器。
背景技術(shù)：
1987年，E. Yablonavitch和S. John首先提出了光子晶體的概念,光子晶體是折射率在空間周期變化的電介質(zhì)微結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)與工作光波的波長為同一數(shù)量級(jí)，光子晶體具有很好的光子局域性和光子帶隙。自光子晶體面世以來，對(duì)其的研究取得了很大的進(jìn)展光子晶體可以應(yīng)用于制造高性能的反射鏡、光子晶體光波導(dǎo)、發(fā)光二極管、波長濾波器、微諧振腔、光開光等各種光子晶體器件。各種數(shù)字電子芯片都是基于電子邏輯器件，但電子邏輯器件有自身的理論局限， 光學(xué)器件相對(duì)于電學(xué)器件具有大容量、抗干擾、柔軟性、無感應(yīng)信號(hào)、空間傳播特性。近年來，利用光子晶體材料制作光學(xué)邏輯器件的研究工作成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，但光學(xué)邏輯器件的運(yùn)行需要脈沖信號(hào)加以控制。傳統(tǒng)的光學(xué)單脈沖都是通過脈沖光源獲得，例如調(diào)Q和鎖模激光器，通過這種方法獲得光學(xué)單脈沖需要使用體積較大的裝置，而且耗能大，關(guān)鍵是這種類型的光學(xué)單脈沖發(fā)生器不利于集成，無法應(yīng)用到集成光學(xué)邏輯器件中，本發(fā)明的光學(xué)單脈沖發(fā)生器是利用光子晶體中的光路實(shí)現(xiàn)的，具有結(jié)構(gòu)體積小、低耗能等優(yōu)點(diǎn)，也易于實(shí)現(xiàn)集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)體積小、低耗能、易于集成的光學(xué)單脈沖發(fā)生器。解決本發(fā)明技術(shù)問題的技術(shù)方案是提供一種基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器，包含在二維光子晶體中的一個(gè)多分支交叉波導(dǎo)，該交叉波導(dǎo)為十字交叉波導(dǎo)或X交叉波導(dǎo)；所述的十字交叉波導(dǎo)與信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)垂直交叉；交叉波導(dǎo)的兩個(gè)相鄰端口分別為信號(hào)光輸入端和參考光輸入端，所述的參考光輸入端對(duì)置處為輸出端，所述的信號(hào)光輸入端對(duì)置處為閑置端；在所述交叉波導(dǎo)交叉處的波導(dǎo)內(nèi)均設(shè)置有至少3根奇數(shù)介質(zhì)桿。所述的二維光子晶體由硅或其它高折射率介質(zhì)桿在空氣或其它低折射率背景介質(zhì)中呈二維周期性排列構(gòu)成，該光子晶體的光子禁帶覆蓋了工作波長的取值，優(yōu)選地，低折射率介質(zhì)材料取為空氣，高折射率介質(zhì)取為硅材料，周期結(jié)構(gòu)光子晶體的晶格常數(shù)取為 a μ m,介質(zhì)桿的半徑取為O. 18a μ m,工作波長取為2. 9762a μ m。所述信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)和閑置端輸出波導(dǎo)為光子晶體線缺陷波導(dǎo)，波導(dǎo)中傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL位于波導(dǎo)兩側(cè)的光子晶體的光子禁帶波長范圍內(nèi)。所述信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)或輸出波導(dǎo)的長度不小于3個(gè)晶格周期或晶格常數(shù)，信號(hào)光輸入波導(dǎo)的長度大于參考光輸入波導(dǎo)的長度。所述信號(hào)光在輸入波導(dǎo)中的傳輸光程與參考光在參考光輸入波導(dǎo)中的傳輸光程的光程差約為波長的整數(shù)倍，即光程相位差約為2 π的整數(shù)倍，信號(hào)光與參考光初位相相同；所述的傳輸光程差包含信號(hào)光與參考光的初位相差折合的等效光程差，該等效光程差約為波長的整數(shù)倍，即等效光程相位差約為2 π的整數(shù)倍，信號(hào)光與參考光初位相不同。所述的交叉波導(dǎo)以波導(dǎo)交叉點(diǎn)為對(duì)稱中心，沿每個(gè)波導(dǎo)的軸線方向分布有5根介質(zhì)桿，且這些介質(zhì)桿的軸心位于波導(dǎo)的軸線上。所述奇數(shù)介質(zhì)桿數(shù)量為5根。所述交叉波導(dǎo)交叉處的介質(zhì)桿為非線性介質(zhì)桿，優(yōu)選地，所述非線性介質(zhì)桿的半徑取為O. 25a μ m，無窮大頻率處的相對(duì)介電常數(shù)取為4. 5，二階非線性系數(shù)取為0，三階非線性系數(shù)取為O. 5 μ m2/V2，非線性介質(zhì)桿左右和上下各設(shè)置4根線性介質(zhì)桿，其半徑分別取為 O. 14a μ m 和 O. 15a μ m。所述的X交叉波導(dǎo)與兩波導(dǎo)成非90度的角度交叉，優(yōu)選地，非90度交叉包括30 度、45度、60度交叉。所述的分支波導(dǎo)為直波導(dǎo)或彎曲波導(dǎo)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是本發(fā)明提供的光學(xué)單脈沖發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)體積小、低耗能、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模邏輯光路集成。


基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器的典型結(jié)構(gòu)如圖I所示，它由一個(gè)“十”字形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成，端口 I和端口 2為輸入端，端口 4為輸出端，端口 3為閑置端。a和b分別對(duì)應(yīng)的為4根線性介質(zhì)桿，c對(duì)應(yīng)的為非線性介質(zhì)桿。圖I是實(shí)施例I的基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中空白部分為空氣，空白線性缺陷為光波導(dǎo)，端口 I和端口 2為輸入端，端口 4 為輸出端，端口 3為閑置端。a和b分別對(duì)應(yīng)的為4根線性介質(zhì)桿，c對(duì)應(yīng)的為非線性介質(zhì)桿。圖2是實(shí)施例I的單脈沖發(fā)生器最后處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的光場(chǎng)分布，其中每條線對(duì)應(yīng)一場(chǎng)強(qiáng)等強(qiáng)度線，為便于查看，省略了場(chǎng)強(qiáng)超過I的區(qū)域中的等強(qiáng)度線。為了簡化起見，圖中省略了反相區(qū)的場(chǎng)分布。圖3是實(shí)施例I的單脈沖光發(fā)生器的輸出端口的光的電場(chǎng)幅度的平方隨時(shí)間變化的曲線。圖4是實(shí)施例2的基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是實(shí)施例2的單脈沖光發(fā)生器的輸出端口的光的電場(chǎng)幅度的平方隨時(shí)間變化的曲線。圖6是實(shí)施例3的基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是實(shí)施例3的單脈沖光發(fā)生器的輸出端口的光的電場(chǎng)幅度的平方隨時(shí)間變化的曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。本發(fā)明由基于二維光子晶體線缺陷的具有穩(wěn)定光程差的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和交叉處的介質(zhì)桿組成，典型結(jié)構(gòu)參見圖I。超短單脈沖光發(fā)生器由在低折射率介質(zhì)中周期性排列的介質(zhì)柱組成，其中除標(biāo)有符號(hào)c以外的所有黑色圓點(diǎn)均為線性高折射率介質(zhì)柱，標(biāo)有符號(hào)c 的介質(zhì)桿為非線性桿。優(yōu)選地，低折射率材料(空白部分)取為空氣,其折射率取為I,線性高折射率介質(zhì)選為硅材料，其折射率取為3. 4，晶格常數(shù)a取為I μ m，線性高折射率介質(zhì)柱的半徑取為O. 18 μ m，陣列數(shù)位取為17 X 29，工作波長取為2. 9762 μ m。對(duì)于光通信中光波波長為I. 55 μ m,根據(jù)麥克斯韋方程解的伸縮不變性原理，將結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)中的所有元素的幾何尺寸做相同系數(shù)的縮放，同時(shí)將波長做等比例縮放，則解的形式不變。將工作波長由2. 9762 μ m變?yōu)镮. 55 μ m的縮小系數(shù)為2.9762/1.55 =I. 92，為了使結(jié)構(gòu)能在這個(gè)工作波長處工作，則需要將晶格常數(shù)變?yōu)镮 μ m/1. 92 =
O.5208 μ m。具體實(shí)施例I如圖I所示，在空氣背景中讓介質(zhì)桿17X29四角晶格排布陣列，在其中移除一些介質(zhì)桿形成光子晶體交叉波導(dǎo)，在端口 I處設(shè)置信號(hào)光，在端口 2處設(shè)置參考光，最后在端口 4處得到輸出，其中標(biāo)記為c的介質(zhì)柱位置為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，O)，規(guī)定晶格陣列中第m行、第η列位置處的晶格坐標(biāo)為(m，n)。把第O行和第O列的介質(zhì)柱挖掉形成交叉垂直波導(dǎo)。端口 I處的入射光源坐標(biāo)為(-19. 5,0)、端口 2處的入射光源坐標(biāo)為(0,-8)。a和 b分別對(duì)應(yīng)的為4根線性介質(zhì)桿，a所對(duì)應(yīng)的4根介質(zhì)桿半徑為O. 14 μ m,從左向右坐標(biāo)依次為(-1. 5，O)、(-0. 75，O)、(O. 75，O)、(I. 5,0) ；b所對(duì)應(yīng)的4根線性介質(zhì)桿半徑為O. 15-, 從上往下坐標(biāo)依次為(0,1.41), (0,0. 81), (0,-0. 81), (O,-I. 41) ο c對(duì)應(yīng)的為非線性介質(zhì)桿，半徑為O. 25 μ m，非線性材料的的無窮大頻率處的相對(duì)介電常數(shù)為4. 5，二階非線性系數(shù)為O,三階非線性系數(shù)為O. 5 μ m2/v2.適當(dāng)調(diào)節(jié)端口 I處信號(hào)光的位置(如圖I)，使2束光波再次相遇時(shí)具有強(qiáng)度相當(dāng)、 光程差為波長的整數(shù)倍，即光程相位差為2 π的整數(shù)倍。由于波導(dǎo)兩側(cè)的介質(zhì)桿只是起約束波的傳播的作用，一般情況下，有三排介質(zhì)桿已經(jīng)有相當(dāng)好的約束作用，因此圖I所示的結(jié)構(gòu)中，線缺陷波導(dǎo)的兩側(cè)最少可以只保留3層介質(zhì)柱。其工作過程如下工作之前，即t = O時(shí)刻之前，參考光和輸入光都不存在。在開始工作時(shí)，即自t =O時(shí)刻開始,在端口 2加參考光,在輸入端I加輸入光。由于參考光到波導(dǎo)交叉處的路徑比較短，參考光先進(jìn)入交叉點(diǎn)處的非線性諧振腔中，非線性腔中的光場(chǎng)逐步變大，通過諧振腔的諧振遂穿效應(yīng)，輸出端4的輸出光也逐漸增大。其后，隨著來自端口 I的信號(hào)光到達(dá)非線性諧振腔中，諧振腔中場(chǎng)強(qiáng)變得更大，但是，此時(shí)諧振腔內(nèi)部的非線性介質(zhì)的介電常數(shù)也變得更大，導(dǎo)致非線性桿的作用完全與結(jié)構(gòu)中的一根介質(zhì)桿b的相當(dāng)，諧振腔特性消失，波導(dǎo)內(nèi)垂直方向設(shè)置的5根介質(zhì)桿對(duì)自端口 2過來的參考光產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射,輸出端口 4的輸出光基本消失，從而完成了一個(gè)單脈沖光的發(fā)生過程。
數(shù)字模擬結(jié)果證實(shí)，該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生單脈沖。在輸入端施加一個(gè)連續(xù)波的情況下，數(shù)字模擬的結(jié)果如圖2和圖3所示，其中圖2是圖3所示的時(shí)間軸末端，即ct = IOOOym時(shí)圖I所示結(jié)構(gòu)的場(chǎng)分布圖。在圖2中，為了簡化起見，只畫出了電場(chǎng)值位于O I之間的光場(chǎng)。圖3給出的模擬結(jié)果證明，該結(jié)構(gòu)確實(shí)能產(chǎn)生半功率寬度為109. 33飛秒的單次超短單脈沖。模擬時(shí)，信號(hào)光和參考光的功率線密度相等，均為O. 5W/l·! m，初位相均為O度。圖4是實(shí)施例2，所用的材料與實(shí)施例I中的相同。實(shí)施例2與實(shí)施例I的差別在于波導(dǎo)I和波導(dǎo)3的長度及參考光和信號(hào)光的位置有所變化，其中參考光的位置為(0，-5)， 信號(hào)光的位置為(-10. 744，0)，這里同樣將標(biāo)記為c的介質(zhì)柱位置設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)。 但是，在實(shí)施例2中，波導(dǎo)I中的信號(hào)光和2中的參考光的光程差還滿足波長的整數(shù)倍，即光程相位差還為2π的整數(shù)倍。圖5是在輸入端施加一個(gè)連續(xù)光信號(hào)情況下，數(shù)字模擬得到的輸出端光信號(hào)時(shí)間波形圖。圖5顯示，圖4的結(jié)構(gòu)能獲得半功率寬度為109. 20飛秒的單次超短脈沖。模擬時(shí)，信號(hào)光的光功率線密度為O. 47，信號(hào)光的初位相為-30度，參考光的功率線密度為O. 9W/ μ m，參考光初位相為O度。圖6是實(shí)施例3，所用的材料與實(shí)施例I中的相同。實(shí)施例3與實(shí)施例I的差別在于波導(dǎo)I和波導(dǎo)3的長度和形狀、信號(hào)光的位置有所變化，其中參考光的位置為(0，-8)，信號(hào)光的位置為(-14，-4)，這里同樣將標(biāo)記為c的介質(zhì)柱位置設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)。但是， 在實(shí)施例3中，波導(dǎo)I中的信號(hào)光和2中的參考光的光程差還滿足波長的整數(shù)倍，即光程相位差還為2 π的整數(shù)倍。圖7是在輸入端施加一個(gè)連續(xù)光信號(hào)情況下，數(shù)字模擬得到的輸出端光信號(hào)時(shí)間波形圖。圖7顯示，圖6的結(jié)構(gòu)能獲得半功率寬度為106. 21飛秒的單次超短脈沖。模擬時(shí)，信號(hào)光的功率線密度為O. 225W/l·! m，信號(hào)光在入射處的初位相為-45度， 參考光的功率線密度為O. 45W/ μ m，參考光在入射處的初位相為O度。本發(fā)明中的光學(xué)單脈沖發(fā)生器是基于光的非線性效應(yīng)。在空波導(dǎo)交叉處附近設(shè)置線性介質(zhì)點(diǎn)缺陷和非線性介質(zhì)點(diǎn)缺陷，通過改變其位置、半徑、折射率以及非線性系數(shù)實(shí)現(xiàn)單脈沖發(fā)射。輸入光分別從兩個(gè)波導(dǎo)輸入后，在設(shè)計(jì)好的波導(dǎo)交叉處發(fā)生非線性相互作用， 從特定的輸出端輸出。以上所述本發(fā)明在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍均有改進(jìn)之處，不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)發(fā)明限制。
權(quán)利要求
1.一種基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于包含在二維光子晶體中的一個(gè)多分支交叉波導(dǎo)，該交叉波導(dǎo)為十字交叉波導(dǎo)或X交叉波導(dǎo)；所述的十字交叉波導(dǎo)與信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)垂直交叉；交叉波導(dǎo)的兩個(gè)相鄰端口分別為信號(hào)光輸入端和參考光輸入端，所述的參考光輸入端對(duì)置處為輸出端，所述的信號(hào)光輸入端對(duì)置處為閑置端；在所述交叉波導(dǎo)交叉處的波導(dǎo)內(nèi)均設(shè)置有至少3根奇數(shù)介質(zhì)桿。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器， 其特征在于所述的二維光子晶體由硅或其它高折射率介質(zhì)桿在空氣或其它低折射率背景介質(zhì)中呈二維周期性排列構(gòu)成，該光子晶體的光子禁帶覆蓋了工作波長的取值，優(yōu)選地，低折射率介質(zhì)材料取為空氣，高折射率介質(zhì)取為硅材料，周期結(jié)構(gòu)光子晶體的晶格常數(shù)取為 a μ m,介質(zhì)桿的半徑取為O. 18a μ m,工作波長取為2. 9762a μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于所述信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)和閑置端輸出波導(dǎo)為光子晶體線缺陷波導(dǎo)，波導(dǎo)中傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL位于波導(dǎo)兩側(cè)的光子晶體的光子禁帶波長范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于所述信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)或輸出波導(dǎo)的長度不小于3個(gè)晶格周期或晶格常數(shù)，信號(hào)光輸入波導(dǎo)的長度大于參考光輸入波導(dǎo)的長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于，所述信號(hào)光在輸入波導(dǎo)中的傳輸光程與參考光在參考光輸入波導(dǎo)中的傳輸光程的光程差約為波長的整數(shù)倍，即光程相位差約為2 π的整數(shù)倍，信號(hào)光與參考光初位相相同；所述的傳輸光程差包含信號(hào)光與參考光的初位相差折合的等效光程差，該等效光程差約為波長的整數(shù)倍，即等效光程相位差約為2 π的整數(shù)倍，信號(hào)光與參考光初位相不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于所述的交叉波導(dǎo)以波導(dǎo)交叉點(diǎn)為對(duì)稱中心，沿每個(gè)波導(dǎo)的軸線方向分布有5根介質(zhì)桿，且這些介質(zhì)桿的軸心位于波導(dǎo)的軸線上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于所述奇數(shù)介質(zhì)桿數(shù)量為5根。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于所述交叉波導(dǎo)交叉處的介質(zhì)桿為非線性介質(zhì)桿，優(yōu)選地，所述非線性介質(zhì)桿的半徑取為O. 25a μ m，無窮大頻率處的相對(duì)介電常數(shù)取為4. 5，二階非線性系數(shù)取為0，三階非線性系數(shù)取為O. 5 μ m2/V2，非線性介質(zhì)桿左右和上下各設(shè)置4根線性介質(zhì)桿，其半徑分別取為 O. 14a μ m 和 O. 15a μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于所述的X交叉波導(dǎo)與兩波導(dǎo)成非90度的角度交叉，優(yōu)選地，非90度交叉包括30 度、45度、60度交叉。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器， 其特征在于所述的分支波導(dǎo)為直波導(dǎo)或彎曲波導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于非線性效應(yīng)的光子晶體交叉波導(dǎo)超短單脈沖光發(fā)生器，它包含在二維光子晶體中的一個(gè)多分支交叉波導(dǎo)，該交叉波導(dǎo)為十字交叉波導(dǎo)或X交叉波導(dǎo)；所述的十字交叉波導(dǎo)與信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)垂直交叉；交叉波導(dǎo)的兩個(gè)相鄰端口分別為信號(hào)光輸入端和參考光輸入端，所述的參考光輸入端對(duì)置處為輸出端，所述的信號(hào)光輸入端對(duì)置處為閑置端；在所述交叉波導(dǎo)交叉處的波導(dǎo)內(nèi)均設(shè)置有至少3根奇數(shù)介質(zhì)桿。本發(fā)明的發(fā)生器結(jié)構(gòu)體積小、低耗能、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模邏輯光路集成。
文檔編號(hào)G02B6/122GK102591093SQ20121003970
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月21日
發(fā)明者劉可風(fēng), 歐陽征標(biāo) 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)