化光纖傳輸模式的 有效折射率，結合公式（1)、（2)，可得到諧振器出射光^與E^勺關系為：
[0023]
[0024] 因熱極化雙孔光纖的電極采用的時金屬電極絲，電極絲不足以填滿雙孔，造成的 傳輸損耗很小，因此忽略諧振環(huán)中的損耗，由公式（4)可得，信號光在諧振環(huán)內的有效相位 變化為：
[0025]
[0026]結合公式（1)、（6)，基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡2X2Mach-Zehnder干涉儀的 輸出功率與輸入功率的關系為：
[0027]
[0028] 其中，巾/為上臂直波導相位變化，巾2'為上臂直波導相位變化。
[0029] 熱極化的機理一般認為是載流子的迀移，在非屏蔽式電極下，光纖熱極化機理可 用二維雙載流子模型表示：
[0030]
[0031] 其中，i表示載流子種類，C(x,y,t)為載流子濃度，①（X，y,t)電位。0;與y;分別 表示擴散系數與迀移系數，且有DiikJ^/e。Zl表述載流子電荷數，F表示法拉第常數， kB表述玻爾茲曼常數，e表示材料介電常數，T表示熱極化溫度。
[0032] 在極化后，光纖橫截面上形成記錄電場。，當調制電場Eext施加時，光纖折射率改 變與電場的關系為：
[0033]
(9)
[0034] 其中，n表示材料折射率，x(3)表示光纖材料的三階光學非線性極化率，根據光纖 折射率的改變An，可計算得到某傳輸模式下有效折射率nrff及Anrff。
[0035] 當在熱極化光纖的兩電極上施加外加調制電壓V時，熱極化光纖的有效折射率 neff將發(fā)生改變，neff的改變導致諧振腔中信號光相位產生改變，進而引起Mach-Zehnder干 涉儀中兩臂的相位差的變化，最終導致出射功率的變化。當外加調制電壓V的改變使P。#/ Pin在〇到1之間變化時，便達到了開關的效果。
[0036] 本發(fā)明的有益效果具體如下：
[0037] 當熱極化光纖長度一定時，相比于傳統(tǒng)的熱極化Mach-Zehnder光開關，本方案提 出的基于熱極化光纖的環(huán)形諧振器開關可成倍的降低開關電壓。
【附圖說明】：
[0038] 圖1 一種基于熱極化光纖的環(huán)形腔Mach-Zehnder光開關示意圖。
[0039] 圖2熱極化光纖示意圖。
[0040] 圖3雙孔光纖極化6000s后記錄電場|Erac|分布示意圖。
[0041] 圖4熱極化6000s后，熱極化光纖有效折射率差Anrff隨調制電壓V的變化示意 圖。
[0042] 圖5熱極化Mach-Zehnder干涉儀光開關結構下，出射光功率隨調制電壓V的變化 示意圖。
[0043] 圖6熱極化環(huán)形諧振器光開關結構下，出射光功率隨調制電壓的變化示意圖。
【具體實施方式】
[0044] 下面結合附圖1至6對一種一種基于熱極化光纖的環(huán)形腔Mach-Zehnder光開關 作進一步描述。
[0045] 實施例一
[0046] -種基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡Mach-Zehnder光開關，如圖1所，特征在于： 非平衡Mach-Zehnder光開關包括，2X2 3dB耦合器rj，2X2耦合器r22，熱極化光纖3， 2X2 3dB耦合器r34;具體連接方式為：
[0047] 2父2 3(^耦合器61第一輸出端13接2\2 3(18耦合器64第一輸入端41，2\2 3dB親合器rj第二輸出端14接2X2親合器r22第一輸入端21，2X2親合器r22第一輸入 出端23接2X2 3dB耦合器r34第二輸入端42, 2X2耦合器r22第二輸入端22、第二輸出端 24分別與熱極化光纖3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光開關通過在熱極化光纖的兩電極施加外加調制電壓，實現Mach-Zehnder 干涉儀的開關功能。
[0048] 2X2 3dB耦合器所用光纖均為標準單模光纖，光纖包層直徑為125ym，纖芯直徑 為8. 2ym，包層折射率為1. 444,纖芯折射率為1. 449。圖2所示為雙孔熱極化光纖，包層 直徑為125ym，纖芯直徑為8. 2ym，包層折射率為1. 444,纖芯折射率為1. 449,兩孔直徑為 30ym，兩孔中心連線經過纖芯中心，為非對稱分布，其中陽極與纖芯邊緣距為3ym，陰極與 纖芯邊緣距為10ym。電極材料為Ag，直徑為20ym。圖3所示為熱極化6000s后記錄電場 |Era」分布示意圖。
[0049] 入射波長A= 1. 55ym，經計算，普通單模光纖在A= 1. 55ym下的有效折射率 為neff' = 1.446,熱極化光纖極化后在外加電壓為0V時在A= 1.55ym下的有效折射率 為neff = 1. 447,外加電壓從0至2000V變化時，其有效折射率變化Aneff隨調制電壓V的變 化如圖4所示。
[0050] 因光纖損耗、熱極化光纖內電極造成的損耗極小，忽略不計。構成的Mach-Zehnder 干涉儀下臂為30cm，上臂直波導為20cm，由熱極化光纖組成的環(huán)形腔為30cm，2X2耦合 器r2的親合系數為r= 0. 8。Mach-Zehnder干涉儀的輸出端光功率隨外加調制電壓的 變化如圖5所示，所需開關電壓為100V。相比于由相同長度的熱極化光纖直波導構成的 Mach-Zehnder干涉儀，其輸出端光功率隨外加調制電壓的變化如圖6所示，所需開關電壓 為580V。基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡Mach-Zehnder光開關大幅度降低了所需開關電 壓。
【主權項】
1. 一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T1(I)，2X2耦合器r2(2)，熱極化光纖（3)， 2X2 3dB耦合器r3(4);具體連接方式為： 2X2 3dB耦合器ri⑴第一輸出端（13)接2X2 3dB耦合器r3⑷第一輸入端（41)， 2X2 3dB耦合器ri(l)第二輸出端（14)接2X2耦合器r2(2)第一輸入端（21)，2X2耦合 器巧(2)第一輸入出端（23)接2X2 3dB耦合器r3(4)第二輸入端（42)，2父2耦合器巧(2) 第二輸入端（22)、第二輸出端（24)分別與熱極化光纖（3)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光開關，通過在熱極化光纖的兩電極施 加外加調制電壓，實現Mach-Zehnder干涉儀的開關功能。2. 根據權利要求1所述的一種基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡Mach-Zehnder光開關， 其特征在于環(huán)形諧振腔由熱極化光纖部分或全部組成。3. 根據權利要求1或2所述的一種基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡Mach-Zehnder光 開關，其特征在于該熱極化光纖具有二階非線性效應，當通過外加電壓改變熱極化光纖的 有效折射率時，由熱極化光纖組成的環(huán)形腔可增大光信號在Mach-Zehnder干涉儀上下兩 臂相位差的變化，降低所需開關電壓。
【專利摘要】一種基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡Mach-Zehnder光開關，涉及光電子器件領域。2×2耦合器r2(2)的第二輸入(22)、輸出(24)端分別于熱極化光纖(3)首尾連接組成環(huán)形諧振器，環(huán)形諧振器的輸入(21)輸出(22)端分別與2×2？3dB耦合器r1(1)的第二輸出端(14)、2×2？3dB耦合器r3(4)的第二輸入端(42)連接，2×2？3dB耦合器r1(1)第一輸出端(13)接2×2？3dB耦合器r3(4)第一輸入端(41)構成基于熱極化光纖環(huán)形腔的非平衡Mach-Zehnder光開關。通過在熱極化光纖的兩電極施加外加調制電壓，實現Mach-Zehnder干涉儀的開關功能。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。
【IPC分類】G02F1/01
【公開號】CN204925541
【申請?zhí)枴緾N201520537749
【發(fā)明人】黃琳, 任國斌, 李晶
【申請人】北京交通大學
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年7月23日