一種基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡Mach-Zehnder光開關的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電子器件領域，具體地講是一種基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡 Mach-Zehnder開關。
【背景技術】
[0002] 石英玻璃材料因其宏觀反演對稱性結構，不具有二階以及其他偶數階光學非線 性效應，限制了其在光電子器件領域的發(fā)展。石英玻璃材料可以通過熱極化技術誘導出 二階非線性（''Largesecond-ordernonlinearityinpoledfusedsilica,''OpticsLe tters，vol. 16，pp. 1732-1734, 1991)，即在高溫（250~320°C)以及樣品兩端施加高電 壓（3~5kV)，樣品內的載流子脫離晶格束縛并在電場作用下迀移，熱極化一段時間后， 關閉外加電壓并將溫度冷卻至室溫，陽極表面下形成耗盡層，耗盡層內誘導形成記錄電場 Erec("Modelingofthex(2)susceptibilitytime-evolutioninthermallypoledfused silica,"OpticsExpress，vol.l3，pp.8015-8024,2005)。二階非線性極化率x⑵= x(3)，x(3)為石英玻璃材料固有的三階光學非線性極化率。
[0003] 熱極化技術即可應用于體石英玻璃材料，也可應用于石英玻璃光纖。熱 極化光纖一般為雙孔光纖，在纖芯兩側制作與纖芯平行的兩個電極孔，以將電極內 置到雙孔中（''SilicaFiberPolingTechnology,''AdvancedMaterials,vol. 13, pp. 1014-1018, 2001)。目前，熱極化體石英玻璃的x(2)典型值為lpm/V，而由于光纖尺寸 較小，電極間距短，熱極化石英玻璃光纖的x(2)典型值為〇.2pm/V。盡管熱極化所誘導的 二階非線性系數相較于鐵電晶體低很多，但是這種非線性作用可以通過增大作用距離來 彌補，這對于熱極化光纖很容易實現(xiàn)。另外，與鐵電晶體材料相比，熱極化光纖損耗低，熔 接損耗小，易于集成且制作成本低。目前，熱極化光纖已成功應用于電光開關（"Systems measurementsof2X2poledfiberswitch，〃IEEEphotonicstechnologyletters,v ol.l7，pp. 2571-2573,2005)、調制器，二次諧波產生（''Greaterthan20%-efficient frequencydoublingof1532-nmnanosecondpulsesinquasi-phase-matched germanosilicateopticalfibers，''OpticsLetters，vol. 24,pp. 208-210, 1999)，THz 產生（''FrequencyTunableContinuousTHzWaveGenerationinaPeriodically PoledFiber，''IEEETransactionsonTerahertzScienceandTechnology,vol. 5PP，pp. 470-477, 2015)，糾纏態(tài)光子對產生（''Proposalforin-fibergeneration oftelecom-bandpolarization-entangledphotonpairsusingaperiodically poledfiber，"Opticsletters，vol. 34,pp. 2138-2140, 2009)，光纖激光器（"All-fiber electroopticalmode-lockingandtuning，''PhotonicsTechnologyLetters，IEEE，vol. 17,pp. 2047-2049,2005)中。目前的熱極化光纖電光開關，多基于Mach-Zehnder干涉儀結 構（"Systemsmeasurementsof2X2poledfiberswitch，"IEEEphotonicstechnology letters，vol. 17,pp. 2571-2573, 2005)，Michelson干涉儀結構（"Integratedfiber Michelsoninterferometerbasedonpoledhollowtwin-corefiber,"OpticsLetters,vol. 36,pp. 2435-2437, 2011)或Sagnac環(huán)結構（"Electro-opticalfibermodulationin aSagnacinterferometer,''OpticsLetters,vol. 32,pp. 1356-1358, 2007)，盡管此類結構 都利用了較長的熱極化光纖，而由于熱極化誘導二階非線性系數較小，所需開關電壓V"仍 然較大。降低V"對于熱極化光纖電光開關的實際應用是非常有必要的。
[0004] 光纖環(huán)形諧振器是一種由光纖連接而成的環(huán)形結構，入射到直波導的信號 光經過耦合器時，部分光功率耦合進入環(huán)形腔，同時環(huán)形腔內的信號光在經過耦合 器時不分光功率親合進入直波導（〃All-single_modefiberresonator,"Optics Letters,vol. 7,pp. 288-290, 1982)。因其成本低，損耗低、串擾低等特點，被廣泛應用與光 信號處理、濾波、復用解復用、調制、開關、激光器中。而由于石英玻璃光纖無二階非線性效 應，基于光纖環(huán)形諧振器的器件大都無調諧性能。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明結合熱極化光纖誘導的二階非線性效應，利用光纖環(huán)形腔的諧振特性，發(fā) 明一種基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡Mach-Zehnder光開關。當外加電壓施加到熱極化 光纖時，熱極化光纖光傳輸模式有效折射率會隨著外加電壓變化，從而改變Mach-Zehnder 兩臂之間的相位差，引起輸出端口功率變化，實現(xiàn)開關功能。環(huán)形腔的特殊結構可增大相位 變化，從而增大Mach-Zehnder兩臂的相位差，降低開關電壓。
[0006] 本發(fā)明的技術方案：
[0007] -種基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡Mach-Zehnder光開關，特征在于：非平衡 Mach-Zehnder光開關包括，2X2 3dB耦合器ri，2X2耦合器r2，熱極化光纖，2X2 3dB耦合 器r3;具體連接方式為：
[0008] 2X2 3dB耦合器n第一輸出端接2X2 3dB耦合器r3第一輸入端，2X2 3dB耦合 器第二輸出端接2X2親合器r2第一輸入端，2X2親合器r2第一輸入出端接2X2 3dB 耦合器r3第二輸入端，2X2耦合器r2第二輸入端、第二輸出端分別與熱極化光纖首尾連接 組成熱極化光纖環(huán)形腔，構成基于熱極化環(huán)形腔的非平衡Mach-Zehnder干涉儀。
[0009] 熱極化光纖具有二階非線性效應，施加外加電壓可調節(jié)熱極化光纖內的有效折射 率，從而改變該非平衡Mach-Zehnder干涉儀兩臂的相位差，最終改變輸出端光功率大小， 實現(xiàn)開關功能。相比于由熱極化光纖構成的平衡Mach-Zehnder光開關，由熱極化光纖環(huán)形 腔構成的非平衡Mach-Zehnder光開關可大幅度降低開關電壓。
[0010] 本發(fā)明的具體工作原理如下：
[0011] 2X2Mach-Zehnder干涉儀結構中，輸出功率與入射功率的關系為：
[0012]
(.1.)
[0013]其中，t為光信號在Mach-Zehnder干涉儀上臂中的相位變化，巾2為光信號在Mach-Zehnder干涉儀下臂中的相位變化。
[0014] 在光纖環(huán)形腔諧振器中，親合器:r2第一輸入端口的輸入光信號為E:，親合器r2第 一輸出端口的輸出光信號為E3，環(huán)形腔的入射光信號為E4，出射光為E2，各信號光符合以下 關系：
[0015] E3=rE!+itE2,
[0016] (2)
[0017]E4=itE!+rE2
[0018] 其中r為諧振器的透射系數，t為耦合系數為，r2+t2= 1。
[0019] 在長度為L的熱極化光纖環(huán)形腔中，
[0020]
[0021]
[0022] 其中，a為損耗因子，L為其中的熱極化光纖長度，r^ff為熱極