專利名稱：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
技術領域：
本發(fā)明屬于光子晶體集成器件領域，涉及二維光子晶體、光子晶體線缺陷波導、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：
1987年，美國Bell實驗室的Yablonovitch和Princeton大學的John分別在研究如何抑制自發(fā)輻射和無序電介質材料中的光子局域時，各自獨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構，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展，光子晶體可以應用于制造高性能的反射鏡、光子晶體光波導、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，光學邏輯器件的研究工作成為一個研究熱點，一些基本的光學邏輯門已經成功地被發(fā)明和實現(xiàn)，進一步大規(guī)模邏輯功能的實現(xiàn)則需要用到脈沖發(fā)生器作為控制信號，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)的光學單脈沖都是通過脈沖光源獲得，例如調Q和鎖模激光器，通過這種方法獲得光學單脈沖需要使用體積較大的裝置，而且耗能大。關鍵是這種類型的光學單脈沖發(fā)生器不利于集成，無法應用到集成光學邏輯器件中。本發(fā)明的光學單脈沖發(fā)生器是利用光子晶體中的光路實現(xiàn)的，它具有體積小、低耗能等優(yōu)點，也易于實現(xiàn)集成。本發(fā)明的光學單脈沖發(fā)生器基于時間延遲原理和光的干涉原理。輸入光進入波導后分成兩束，兩束光波經歷的光程不相同，通過適當?shù)母淖兘Y構和光程差，使兩束光具有穩(wěn)定的相位差，相干疊加后產生單脈沖。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種結構體積小、低耗能、易于集成的光學單脈沖發(fā)生器。解決本發(fā)明技術問題的技術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光子晶體輸入波導，所述輸入波導分別與第一光子晶體彎曲波導、第二光子晶體彎曲波導連接；所述第一光子晶體彎曲波導、 第二光子晶體彎曲波導與光子晶體輸出波導連接。所述的二維光子晶體由硅或其它高折射率介質桿在空氣或其它低折射率背景介質中呈二維周期性排列構成，該光子晶體的光子禁帶覆蓋了工作波長的值，優(yōu)選地，低折射率介質材料取為空氣，高折射率介質取為硅，周期結構光子晶體的晶格常數(shù)取為a μ m，介質桿的半徑取為O. 18a μ m,工作波長取為2. 984a μ m。所述光子晶體輸入波導、第一光子晶體彎曲波導、第二光子晶體彎曲波導和光子晶體輸出波導為光子晶體線缺陷波導，波導中傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL位于波導兩側的光子晶體的光子禁帶波長范圍內。
所述的光子晶體輸入波導或光子晶體輸出波導的長度不小于3個晶格周期或晶格常數(shù)，第一光子晶體彎曲波導的長度不小于12個晶格周期或晶格常數(shù)，第二光子晶體彎曲波導的長度大于第一光子晶體彎曲波導的長度。所述的第一光子晶體彎曲波導、第二光子晶體彎曲波導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、第二光子晶體彎曲波導的光程長度差為半波長的奇數(shù)倍。所述波導結構中產生的單脈沖的脈寬為該結構中的第一光子晶體彎曲波導、第二光子晶體彎曲波導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 為工作波長圓頻率。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是I.結構體積小、低耗能、易于實現(xiàn)大規(guī)模邏輯光路集成；2.該單脈沖發(fā)生器在微小光學邏輯集成芯片中具有廣泛應用價值。


本發(fā)明的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器的典型結構如圖I、圖4所示，它由兩個具有光程差的波導結構組成，端口 I為輸入，端口 2為輸出端，波導3和波導4 具有穩(wěn)定的光程差。對于上述單脈沖發(fā)生器結構，波導3和波導4的光程差有一個最優(yōu)值， 即為半波長的奇數(shù)倍，以獲得較好的單脈沖。圖I是實施I的分光延遲干涉相消式光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器的結構示意圖，其中空白部分為空氣，實心圓點為介質桿，線形空白缺陷為光波導，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。圖2是實施例I的最后穩(wěn)態(tài)光場分布。圖3是實施例I的輸出端口的光波的電場幅度的平方的時域響應波形曲線。圖4是實施例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，實心圓點為介質桿，線形空白缺陷為光波導，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。圖5是實施例2的輸出端口的光波的電場幅度的平方的時域響應波形曲線。圖6是實施例3的分光延遲干涉光子晶體超短單脈沖光發(fā)生器的結構示意圖，其中空白部分為空氣，實心圓點為介質桿，線形空白缺陷為光波導，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。圖7是實施例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幅度的平方隨時間變化的曲線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。本發(fā)明由基于二維光子晶體線缺陷的具有穩(wěn)定光程差的波導結構組成。參照圖1， 單脈沖發(fā)生器由在空氣中周期性排列的介質柱組成。其中的圓點為線性高折射率介質柱， 優(yōu)選地，低折射率材料(空白部分)為空氣，高折射率介質選為硅材料，其折射率取為3. 51。 以下的具體實施方式
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線性高折射率介質柱的半徑為O. 18 μ m、工作波長為2. 984 μ m。對于光通信中光波波長為I. 55 μ m,根據麥克斯韋方程解的伸縮不變性原理，將結構的幾何尺寸和結構中的所有元素的幾何尺寸做相同系數(shù)的縮放，同時將波長做等比例縮放，則解的形式不變。將工作波長由2. 984 μ m變?yōu)镮. 55 μ m的縮小系數(shù)為2. 984/1. 55 =
I.92516，為了使結構能在這個工作波長處工作，則需要將晶格常數(shù)變?yōu)镮 μ m/1. 92516 = O. 5194 μ m,將介質桿的半徑變?yōu)?O. 18 μ m/1. 92516 = O. 0935 μ m。具體實施例I如圖I所示，在空氣背景中讓介質柱21X21四角晶格排布陣列，在其中移除一些介質桿，在端口 I處設置一段光波導，然后把光波分成2束，讓光波沿波導3 和波導4繼續(xù)傳輸,最后在端口 2相干疊加輸出。由于波導兩側的介質桿只是起約束波的傳播的作用，一般情況下，有三排介質桿已經有相當好的約束作用，因此圖I所示的結構中， 左邊最多還可以去掉2列介質桿，右邊最多還可以去掉4列介質桿，下邊最多還可以去掉I 行介質桿。同樣的道理，波導壁加厚對圖I所示結構的影響也比較小，故可以在圖I所示結構的上下兩側可以增加任意行的介質桿，在其左右兩側增加任意列的介質桿。但是在左右側增加介質桿時，要保持左端輸入波導和右端輸出波導的擴展，即不能阻斷波的輸入通路和波的輸出通路。適當調節(jié)波導3和波導4的形狀以及長度(如圖I)，使2束光波再次相遇時具有強度相當、光程差為半波長的奇數(shù)倍，即光程相位差為η的奇數(shù)倍。其工作過程如下當一束光波從端口 I入射時，在靠近端口 I的波導分叉處，分別有等量幅度的光波向上波導3和向下波導4傳播；波導3的長度小于波導4的長度，這兩個波導長度的差導致其中傳播的兩個波到達輸出端口 2時存在一個相位差，通過設計波導3和4的長度差使該相位差為π的奇數(shù)倍；在小于光從端口 I經波導3到達端口 2的時間段h內，輸出端的光波信號幅度為O ;在大于h，但小于光從端口 I經波導4到達端口 2的時間t2內輸出端口 2 有光輸出，幅度較大；在大于t2時刻起，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程。考慮到波導對光有一定的約束和存儲作用，波導中光的建立和消失均需要經歷一個過渡過程，即輸出端得到的波形是尖頂，而不是平頂?shù)?。本發(fā)明的光學單脈沖發(fā)生器基于時間延遲原理和光的干涉原理。輸入光進入波導后分成兩束，兩束光波經歷的光程不相同，通過適當?shù)母淖兘Y構和光程差，使兩束光具有穩(wěn)定的相位差，相干疊加后產生單脈沖。以上工作過程基于的機理是，⑴延遲原理當輸入端I無輸入信號時，輸出為0， 當輸入端I有輸入光，波導4中的光尚未到達輸出端時,輸出端僅有來自于波導3過來的光；(2)干涉相消原理當輸入端I有輸入光，波導3和波導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，如此完成了一個單脈沖的形成過程。數(shù)字模擬結果證實，該結構能產生單脈沖。在輸入端施加一個連續(xù)波的情況下，數(shù)字模擬的結果如圖2和圖3所示，其中圖2是圖3所示的時間軸末端，即ct = IOOOym時圖I所示結構的場分布圖，其中為了簡化，只畫出了場強大于O且小于I的區(qū)域的場分布。 圖3給出的模擬結果證明，該結構確實能產生半功率寬度為70. 50飛秒的單次超短單脈沖。圖4是實施例2，所用的材料與實施例I中的相同。實施例2與實施例I的差別在于波導3和波導4的長度及形狀有所變化。但是，在實施例2中，波導3和4的光程相位差還滿足半波長的奇數(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連續(xù)光信號情況下，數(shù)字模擬得到的輸出端光信號時間波形圖。圖5顯示，圖4的結構能獲得半功率寬度為93飛秒的單次超短脈沖。圖6是實施例3，所用的材料與實施例I中的相同。實施例3與實施例I的差別在于波導3和波導4的長度有所變化。但是，在實施例3中，波導3和4的光程相位差還滿足半波長的奇數(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連續(xù)光信號情況下，數(shù)字模擬得到的輸出端光信號時間波形圖。圖7顯示，圖6的結構能獲得半功率寬度為72. 67飛秒的單次超短脈沖。在模擬時，相對于圖I和圖4，輸入功率增加了 3倍。以上所述本發(fā)明在具體實施方式
及應用范圍均有改進之處，不應當理解為對發(fā)明的限制。
權利要求
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光子晶體輸入波導，所述輸入波導分別與第一光子晶體彎曲波導、第二光子晶體彎曲波導連接；所述第一光子晶體彎曲波導、第二光子晶體彎曲波導與光子晶體輸出波導連接。
2.根據權利要求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桿在空氣或其它低折射率背景介質中呈二維周期性排列構成，該光子晶體的光子禁帶覆蓋了工作波長的值，優(yōu)選地，低折射率介質材料取為空氣，高折射率介質取為硅，周期結構光子晶體的晶格常數(shù)取為a μ m，介質桿的半徑取為O. 18a μ m,工作波長取為2. 984a μ m。
3.根據權利要求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、第一光子晶體彎曲波導、第二光子晶體彎曲波導和光子晶體輸出波導為光子晶體線缺陷波導，波導中傳輸?shù)墓獠ǖ牟ㄩL位于波導兩側的光子晶體的光子禁帶波長范圍內。
4.根據權利要求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或光子晶體輸出波導的長度不小于3個晶格周期或晶格常數(shù)，第一光子晶體彎曲波導的長度不小于12個晶格周期或晶格常數(shù)，第二光子晶體彎曲波導的長度大于第一光子晶體彎曲波導的長度。
5.根據權利要求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、第二光子晶體彎曲波導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、第二光子晶體彎曲波導的光程長度差為半波長的奇數(shù)倍。
6.根據權利要求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， 所述波導結構中產生的單脈沖的脈寬為該結構中的第一光子晶體彎曲波導、第二光子晶體彎曲波導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為工作波長圓頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開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光子晶體輸入波導，所述輸入波導分別與第一光子晶體彎曲波導、第二光子晶體彎曲波導連接；所述第一光子晶體彎曲波導、第二光子晶體彎曲波導與光子晶體輸出波導連接。本發(fā)明的發(fā)生器結構體積小、低耗能、易于實現(xiàn)大規(guī)模邏輯光路集成，該單脈沖發(fā)生器在微小光學邏輯集成芯片中具有廣泛應用價值。
文檔編號G02F1/365GK102591094SQ20121003970
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月21日 優(yōu)先權日2012年2月21日
發(fā)明者劉可風, 歐陽征標, 程峰 申請人:深圳大學