專(zhuān)利名稱(chēng)：分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(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)、光子晶體分光器、光波相位差，具體涉及一種分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器。
背景技術(shù)：
1987年，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的Yablonovitch和Princeton大學(xué)的John分別在研究如何抑制自發(fā)輻射和無(wú)序電介質(zhì)材料中的光子局域時(shí)，各自獨(dú)立地提出了光子晶體的概念由不同介電常數(shù)的材料間隔周期排列而成的微結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)與工作光波的波長(zhǎng)為
同一數(shù)量級(jí)。自光子晶體面世以來(lái)，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(zhǎng)濾波器、微諧振腔、光開(kāi)光等各種光子晶體器件。近年來(lái)，光學(xué)邏輯器件的研究工作成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，一些基本的光學(xué)邏輯門(mén)已經(jīng)成功地被發(fā)明和實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步大規(guī)模邏輯功能的實(shí)現(xiàn)則需要用到脈沖發(fā)生器作為控制信號(hào)，本發(fā)明是一種對(duì)比度很高的全光單脈沖發(fā)生器。傳統(tǒng)的光學(xué)單脈沖都是通過(guò)脈沖光源獲得，例如調(diào)Q和鎖模激光器，通過(guò)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(lèi)型的光學(xué)單脈沖發(fā)生器不利于集成，無(wú)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，它具有體積小、低耗能等優(yōu)點(diǎn)，也易于實(shí)現(xiàn)集成。本發(fā)明的光學(xué)單脈沖發(fā)生器基于時(shí)間延遲原理和光的干涉原理。輸入光進(jìn)入波導(dǎo)后分成兩束，兩束光波經(jīng)歷的光程不相同，通過(guò)適當(dāng)?shù)母淖兘Y(jié)構(gòu)和光程差，使兩束光具有穩(wěn)定的相位差，相干疊加后產(chǎn)生單脈沖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)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(wèn)題的技術(shù)方案是提供一種分光延遲干涉相消式光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器，其包含在二維光子晶體中的一個(gè)光子晶體輸入波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)分別與第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)連接；所述第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、 第二光子晶體彎曲波導(dǎo)與光子晶體輸出波導(dǎo)連接。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(zhǎng)的值，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，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(zhǎng)取為2. 984a μ m。所述光子晶體輸入波導(dǎo)、第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)和光子晶體輸出波導(dǎo)為光子晶體線缺陷波導(dǎo)，波導(dǎo)中傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL(zhǎng)位于波導(dǎo)兩側(cè)的光子晶體的光子禁帶波長(zhǎng)范圍內(nèi)。
所述的光子晶體輸入波導(dǎo)或光子晶體輸出波導(dǎo)的長(zhǎng)度不小于3個(gè)晶格周期或晶格常數(shù)，第一光子晶體彎曲波導(dǎo)的長(zhǎng)度不小于12個(gè)晶格周期或晶格常數(shù)，第二光子晶體彎曲波導(dǎo)的長(zhǎng)度大于第一光子晶體彎曲波導(dǎo)的長(zhǎng)度。所述的第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)的光程相位差值的最佳值為H的奇數(shù)倍，即第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)的光程長(zhǎng)度差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的單脈沖的脈寬為該結(jié)構(gòu)中的第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)的相位差除以工作圓頻率，即為(2m+l) π/ω，其中m為自然正整數(shù)，ω 為工作波長(zhǎng)圓頻率。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是I.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；2.該單脈沖發(fā)生器在微小光學(xué)邏輯集成芯片中具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。


本發(fā)明的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器的典型結(jié)構(gòu)如圖I、圖4所示，它由兩個(gè)具有光程差的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成，端口 I為輸入，端口 2為輸出端，波導(dǎo)3和波導(dǎo)4 具有穩(wěn)定的光程差。對(duì)于上述單脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)3和波導(dǎo)4的光程差有一個(gè)最優(yōu)值， 即為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，以獲得較好的單脈沖。圖I是實(shí)施I的分光延遲干涉相消式光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中空白部分為空氣，實(shí)心圓點(diǎn)為介質(zhì)桿，線形空白缺陷為光波導(dǎo)，端口 I為輸入端，端口 2為輸出端，線形空白3和4為光波導(dǎo)。圖2是實(shí)施例I的最后穩(wěn)態(tài)光場(chǎng)分布。圖3是實(shí)施例I的輸出端口的光波的電場(chǎng)幅度的平方的時(shí)域響應(yīng)波形曲線。圖4是實(shí)施例2的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器，其中空白部分為空氣，實(shí)心圓點(diǎn)為介質(zhì)桿，線形空白缺陷為光波導(dǎo)，端口 I為輸入端，端口 2為輸出端，線形空白3和4為光波導(dǎo)。圖5是實(shí)施例2的輸出端口的光波的電場(chǎng)幅度的平方的時(shí)域響應(yīng)波形曲線。圖6是實(shí)施例3的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中空白部分為空氣，實(shí)心圓點(diǎn)為介質(zhì)桿，線形空白缺陷為光波導(dǎo)，端口 I為輸入端，端口 2為輸出端，線形空白3和4為光波導(dǎo)。圖7是實(shí)施例3的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(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)定光程差的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)組成。參照?qǐng)D1， 單脈沖發(fā)生器由在空氣中周期性排列的介質(zhì)柱組成。其中的圓點(diǎn)為線性高折射率介質(zhì)柱， 優(yōu)選地，低折射率材料(空白部分)為空氣，高折射率介質(zhì)選為硅材料，其折射率取為3. 51。 以下的具體實(shí)施方式
中，取空氣的折射率為1，另取光子晶體的晶格常數(shù)a為Ιμπκ線性高折射率介質(zhì)柱的半徑為O. 18 μ m、工作波長(zhǎng)為2. 984 μ m。對(duì)于光通信中光波波長(zhǎng)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(zhǎng)做等比例縮放，則解的形式不變。將工作波長(zhǎng)由2. 984 μ m變?yōu)镮. 55 μ m的縮小系數(shù)為2. 984/1. 55 =
I.92516，為了使結(jié)構(gòu)能在這個(gè)工作波長(zhǎng)處工作，則需要將晶格常數(shù)變?yōu)镮 μ m/1. 92516 = O. 5194 μ m,將介質(zhì)桿的半徑變?yōu)?O. 18 μ m/1. 92516 = O. 0935 μ m。具體實(shí)施例I如圖I所示，在空氣背景中讓介質(zhì)柱21X21四角晶格排布陣列，在其中移除一些介質(zhì)桿，在端口 I處設(shè)置一段光波導(dǎo)，然后把光波分成2束，讓光波沿波導(dǎo)3 和波導(dǎo)4繼續(xù)傳輸,最后在端口 2相干疊加輸出。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， 左邊最多還可以去掉2列介質(zhì)桿，右邊最多還可以去掉4列介質(zhì)桿，下邊最多還可以去掉I 行介質(zhì)桿。同樣的道理，波導(dǎo)壁加厚對(duì)圖I所示結(jié)構(gòu)的影響也比較小，故可以在圖I所示結(jié)構(gòu)的上下兩側(cè)可以增加任意行的介質(zhì)桿，在其左右兩側(cè)增加任意列的介質(zhì)桿。但是在左右側(cè)增加介質(zhì)桿時(shí)，要保持左端輸入波導(dǎo)和右端輸出波導(dǎo)的擴(kuò)展，即不能阻斷波的輸入通路和波的輸出通路。適當(dāng)調(diào)節(jié)波導(dǎo)3和波導(dǎo)4的形狀以及長(zhǎng)度(如圖I)，使2束光波再次相遇時(shí)具有強(qiáng)度相當(dāng)、光程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，即光程相位差為η的奇數(shù)倍。其工作過(guò)程如下當(dāng)一束光波從端口 I入射時(shí)，在靠近端口 I的波導(dǎo)分叉處，分別有等量幅度的光波向上波導(dǎo)3和向下波導(dǎo)4傳播；波導(dǎo)3的長(zhǎng)度小于波導(dǎo)4的長(zhǎng)度，這兩個(gè)波導(dǎo)長(zhǎng)度的差導(dǎo)致其中傳播的兩個(gè)波到達(dá)輸出端口 2時(shí)存在一個(gè)相位差，通過(guò)設(shè)計(jì)波導(dǎo)3和4的長(zhǎng)度差使該相位差為π的奇數(shù)倍；在小于光從端口 I經(jīng)波導(dǎo)3到達(dá)端口 2的時(shí)間段h內(nèi)，輸出端的光波信號(hào)幅度為O ;在大于h，但小于光從端口 I經(jīng)波導(dǎo)4到達(dá)端口 2的時(shí)間t2內(nèi)輸出端口 2 有光輸出，幅度較大；在大于t2時(shí)刻起，兩路相位差為Ji的光波輸出端2疊加，輸出變?yōu)?， 從而完成單脈沖的形成過(guò)程?？紤]到波導(dǎo)對(duì)光有一定的約束和存儲(chǔ)作用，波導(dǎo)中光的建立和消失均需要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，即輸出端得到的波形是尖頂，而不是平頂?shù)?。本發(fā)明的光學(xué)單脈沖發(fā)生器基于時(shí)間延遲原理和光的干涉原理。輸入光進(jìn)入波導(dǎo)后分成兩束，兩束光波經(jīng)歷的光程不相同，通過(guò)適當(dāng)?shù)母淖兘Y(jié)構(gòu)和光程差，使兩束光具有穩(wěn)定的相位差，相干疊加后產(chǎn)生單脈沖。以上工作過(guò)程基于的機(jī)理是，⑴延遲原理當(dāng)輸入端I無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，輸出為0， 當(dāng)輸入端I有輸入光，波導(dǎo)4中的光尚未到達(dá)輸出端時(shí),輸出端僅有來(lái)自于波導(dǎo)3過(guò)來(lái)的光；(2)干涉相消原理當(dāng)輸入端I有輸入光，波導(dǎo)3和波導(dǎo)4的光都傳播到了輸出端口以后，由于這兩路光反相，輸出變?yōu)镺，此后輸出維持O信號(hào)，如此完成了一個(gè)單脈沖的形成過(guò)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，其中為了簡(jiǎn)化，只畫(huà)出了場(chǎng)強(qiáng)大于O且小于I的區(qū)域的場(chǎng)分布。 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70. 50飛秒的單次超短單脈沖。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)3和波導(dǎo)4的長(zhǎng)度及形狀有所變化。但是，在實(shí)施例2中，波導(dǎo)3和4的光程相位差還滿足半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，即光程相位差還為η的奇數(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93飛秒的單次超短脈沖。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)3和波導(dǎo)4的長(zhǎng)度有所變化。但是，在實(shí)施例3中，波導(dǎo)3和4的光程相位差還滿足半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，即光程相位差還為η的奇數(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72. 67飛秒的單次超短脈沖。在模擬時(shí)，相對(duì)于圖I和圖4，輸入功率增加了 3倍。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)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于包含在二維光子晶體中的一個(gè)光子晶體輸入波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)分別與第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)連接；所述第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)與光子晶體輸出波導(dǎo)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(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(zhǎng)的值，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，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(zhǎng)取為2. 984a μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于， 所述光子晶體輸入波導(dǎo)、第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)和光子晶體輸出波導(dǎo)為光子晶體線缺陷波導(dǎo)，波導(dǎo)中傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL(zhǎng)位于波導(dǎo)兩側(cè)的光子晶體的光子禁帶波長(zhǎng)范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于， 所述的光子晶體輸入波導(dǎo)或光子晶體輸出波導(dǎo)的長(zhǎng)度不小于3個(gè)晶格周期或晶格常數(shù)，第一光子晶體彎曲波導(dǎo)的長(zhǎng)度不小于12個(gè)晶格周期或晶格常數(shù)，第二光子晶體彎曲波導(dǎo)的長(zhǎng)度大于第一光子晶體彎曲波導(dǎo)的長(zhǎng)度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于， 所述的第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)的光程相位差值的最佳值為η的奇數(shù)倍，即第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)的光程長(zhǎng)度差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于， 所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的單脈沖的脈寬為該結(jié)構(gòu)中的第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)的相位差除以工作圓頻率，即為(2m+l) π/ω，其中m為自然正整數(shù)，ω為工作波長(zhǎng)圓頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器，它包含在二維光子晶體中的一個(gè)光子晶體輸入波導(dǎo)，所述輸入波導(dǎo)分別與第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)連接；所述第一光子晶體彎曲波導(dǎo)、第二光子晶體彎曲波導(dǎo)與光子晶體輸出波導(dǎo)連接。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，該單脈沖發(fā)生器在微小光學(xué)邏輯集成芯片中具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G02F1/365GK102591094SQ20121003970
公開(kāi)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(yáng)征標(biāo), 程峰 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)