專利名稱：基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(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、光子晶體線缺陷分光波導(dǎo)、光子晶體點(diǎn)缺陷、光波相位差，尤其涉及一種基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(fā)生器。
背景技術(shù)：
1987年，美國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)與工作光波的波長為
同一數(shù)量級。自光子晶體面世以來，對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。近年來，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，全部采用線性材料，具有體積小、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)方案是提供了一種基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(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)為十字交叉波或X交叉波導(dǎo)；所述十字交叉波導(dǎo)與信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)垂直交叉， 在所述交叉波導(dǎo)的交叉處設(shè)置有介質(zhì)桿構(gòu)成波導(dǎo)點(diǎn)缺陷，形成交叉分光結(jié)構(gòu)；其一個(gè)分支波導(dǎo)分別與信號(hào)光、參考光相連接，另一個(gè)分支波導(dǎo)輸出單脈沖光。所述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)材料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)和輸出波導(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
3晶格常數(shù)，信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)的長度不同。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 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2^1的整數(shù)倍，信號(hào)光與參考光初位相不同。所述信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)的光程差的最優(yōu)值，可以獲得較好的單脈 沖，相應(yīng)的高低邏輯幅度比達(dá)到最大，脈沖寬度達(dá)到最小。所述交叉波導(dǎo)交叉處的波導(dǎo)缺陷介質(zhì)桿為線性介質(zhì)桿，優(yōu)選地，所述波導(dǎo)缺陷介 質(zhì)桿與構(gòu)成光子晶體的介質(zhì)桿的材料為同一種材料，其半徑取為o. 292au mo所述交叉波導(dǎo)產(chǎn)生的單脈沖的脈寬為該結(jié)構(gòu)中的信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波 導(dǎo)的相位差除以工作波長圓頻率，即為2m ji/co，其中m為自然正整數(shù)，《為工作波長圓頻率。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。


基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(fā)生器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由 兩個(gè)具有光程差的“十”字波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和點(diǎn)缺陷介質(zhì)桿組成，端口 1為輸入端，端口 2為輸入 端，端口 3為閑置端，端口 4為輸出端。圖1是實(shí)施例1的基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(fā)生器的典型結(jié)構(gòu) 示意圖，其中空白部分為空氣，紅色實(shí)心圓點(diǎn)為介質(zhì)桿，線形空白缺陷為光波導(dǎo)，“十”字交 叉處的紅色圓點(diǎn)為點(diǎn)缺陷介質(zhì)桿，端口 1為輸入端，端口 2為輸入端，端口 3為閑置端，端口 4為輸出端。圖2是實(shí)施例1的單脈沖光發(fā)生器最后處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的光場分布，其中每條線對應(yīng) 一場強(qiáng)等強(qiáng)度線，為便于查看，省略了場強(qiáng)超過1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)的場分布。圖3是實(shí)施例1的單脈沖光發(fā)生器的輸出端口的光波的電場幅度的平方隨時(shí)間變 化的曲線。圖4是實(shí)施例2的基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(fā)生器圖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的基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(fā)生器圖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)定光程差的交叉分光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和位于波導(dǎo)交叉處的波導(dǎo)點(diǎn)缺陷組成，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，其中的圓點(diǎn)均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)取為空氣，折射率分別取為31，線性高折射率介質(zhì)取為硅，折射率取為3. 4， 娃柱的半徑取為O. 18 μ m。陣列數(shù)位為17X31,晶格常數(shù)a為I μ m,工作波長為2. 9762 μ m。對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)柱17X31四角晶格排布陣列，取圖I中“十”字波導(dǎo)交叉中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)，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(-20. 2，0)，端口 2處的入射光源坐標(biāo)為(0，-8)。“十”字交叉處點(diǎn)缺陷介質(zhì)桿的半徑為O. 292 μ m，其坐標(biāo)為(O. 188，-O. 188)。在端口 I處輸入信號(hào)光波，在端口 2處輸入?yún)⒖脊獠ǎ詈笤诙丝?4處得到單脈沖光輸出。適當(dāng)調(diào)節(jié)端口 I和端口 2處光源的位置以及點(diǎn)缺陷介質(zhì)桿的位置和半徑大小(如圖I)，使2束光波到達(dá)點(diǎn)缺陷時(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
231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)波導(dǎo)缺陷介質(zhì)桿處，該波導(dǎo)缺陷介質(zhì)桿等效于一個(gè)低品質(zhì)因子的諧振腔，腔中的光場逐步變大，耦合到輸出端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)諧振腔中，由于波導(dǎo)缺陷介質(zhì)桿對輸入光和參考光的相移相差180度, 率禹合到輸出端4的信號(hào)逐步下降,穩(wěn)態(tài)時(shí),輸出光場基本消失,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)的場分布圖。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 123. 446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Ptl,信號(hào)光和參考光在其入射端的初位相均為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 32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，-4)，信號(hào)光的位置為(-10. 48，0)，這里同樣取十字交叉波導(dǎo)交叉中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)。信號(hào)光的輸入功率為I. 68匕，信號(hào)光在入射端的初位相為-9度，參考光的輸入功率為O. 9P。， 參考光在入射端的初位相為O度。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2 π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80. 01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)I 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)，這里同樣將波導(dǎo)交叉中心點(diǎn)位置設(shè)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2π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86. 15飛秒的單次超短脈沖。 模擬時(shí)，信號(hào)光的功率線密度為I. 29匕，信號(hào)光在入射端的初位相為77度，參考光的功率線密度為O. 5匕，參考光在入射端的初位相為O度。本發(fā)明光學(xué)單脈沖發(fā)生器是基于光的干涉原理。信號(hào)光和參考光沿不同的方向進(jìn)入波導(dǎo)，兩束光波經(jīng)歷的光程不相同，在多分支波導(dǎo)的交叉處相遇，適當(dāng)改變結(jié)構(gòu)和光程差，使兩束光波具有穩(wěn)定的相位差，利用波導(dǎo)中的缺陷介質(zhì)桿的分光和移相作用，在輸出波導(dǎo)中相干疊加后產(chǎn)生超短單脈沖光輸出。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)理解為對發(fā)明限制。
權(quán)利要求
1.一種基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(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，在所述交叉波導(dǎo)的交叉處設(shè)置有介質(zhì)桿構(gòu)成波導(dǎo)點(diǎn)缺陷，形成交叉分光結(jié)構(gòu)；其一個(gè)分支波導(dǎo)分別與信號(hào)光、參考光相連接，另一個(gè)分支波導(dǎo)輸出單脈沖光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于，所述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)材料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,工作波長取為2. 9762a μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(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)和輸出波導(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所述基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(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)、參考光輸入波導(dǎo)的長度不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(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或3所述基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(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)的光程差的最優(yōu)值，可以獲得較好的單脈沖，相應(yīng)的高低邏輯幅度比達(dá)到最大，脈沖寬度達(dá)到最小。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于，所述交叉波導(dǎo)交叉處的波導(dǎo)缺陷介質(zhì)桿為線性介質(zhì)桿，優(yōu)選地，所述波導(dǎo)缺陷介質(zhì)桿與構(gòu)成光子晶體的介質(zhì)桿的材料為同一種材料，其半徑取為O. 292a μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(fā)生器，其特征在于，所述交叉波導(dǎo)產(chǎn)生的單脈沖的脈寬為該結(jié)構(gòu)中的信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)的相位差除以工作波長圓頻率，即為2πιπ/ω，其中m為自然正整數(shù)，ω為工作波長圓頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(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所述的基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(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)明公開了一種基于光子晶體交叉分光波導(dǎo)的超短單脈沖光發(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叉交波導(dǎo)；所述十字交叉波導(dǎo)與信號(hào)光輸入波導(dǎo)、參考光輸入波導(dǎo)垂直交叉，在所述交叉波導(dǎo)的交叉處設(shè)置有介質(zhì)桿構(gòu)成波導(dǎo)點(diǎn)缺陷，形成交叉分光結(jié)構(gòu)；一個(gè)分支波導(dǎo)分別與信號(hào)光、參考光相連接，其另一個(gè)分支波導(dǎo)輸出單脈沖光。本發(fā)明發(fā)生器結(jié)構(gòu)的體積小、低耗能、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模邏輯光路集成。
文檔編號(hào)G02B6/125GK102591095SQ20121003970
公開日2012年7月18日 申請日期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) 申請人:深圳大學(xué)