一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于光子晶體的全光二極管的單向光傳輸?shù)难b置，包括波長調諧連續(xù)波激光器、基于光子晶體的全光二極管及兩個功率可調超短脈沖激光器，基于光子晶體的全光二極管，由前側光子晶體波導、直接耦合微腔、側邊耦合微腔、傳輸波導、后側光子晶體波導組成；所述兩個功率可調超短脈沖激光器分別用于對直接耦合微腔、側邊耦合微腔泵浦；所述波長調諧連續(xù)波激光器用于提供入射信號光。本實用新型可以通過對超短脈沖激光泵浦功率的調節(jié)來自由操控信號光通過的方向，并具有極高的正反向傳輸對比度及較大的工作帶寬。
【專利說明】
一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及全光非互易光傳輸技術，特別涉及基于一種光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置。
【背景技術】
[0002]全光二極管是一種重要的微納光學器件，其非互易結構使信號光在一個方向通過，而在相反的方向則通過很少或者基本不通過，簡言之，就是實現(xiàn)光的單向傳輸。然而，高性能全光二極管的研制是微納集成光子學領域的一個世界性的難題。正如傳統(tǒng)集成電路系統(tǒng)運算功能需要電二極管這一基本元件一樣，全光信號運算處理也離不開能使得光子滿足非互易傳輸?shù)膯卧?，即所謂的全光二極管。與此同時，信息技術的迅猛發(fā)展，要求信息傳遞的速度更快，信息存儲能力更大，信息處理能力更強。因此，在光計算、光互聯(lián)和超快速信息處理等領域都具有重要的應用前景。
[0003]為實現(xiàn)光的非互易性傳輸，其關鍵是要打破光傳輸?shù)臅r間反轉對稱性，這可借助磁光材料、非線性光學效應等方式來實現(xiàn)。在這些方式中，基于磁光材料的光二極管是研究得最早、最為廣泛的，國內外學者已在此方面取得了豐碩的成果。但這種光二極管存在一些難以克服的困難，例如，它所使用的材料和制作工藝與標準的Si基CMOS工藝不匹配，而且需要附加強磁場，因此很難適合光子芯片集成。
[0004]相比之下，基于非線性光學效應的光二極管既不需要外加強磁場，也不需要外部電信號調控，而是通過設計具有不對稱結構的微腔-波導系統(tǒng)，借助非線性光學效應對微腔折射率進行非對稱調控，從而實現(xiàn)光的非互易傳輸。這種方式能夠實現(xiàn)全光操控，而且適合于半導體CMOS工藝的光子芯片集成，是當前全光二極管研究的主流方式。2012年，美國科學院院士 Weiner及普度大學的齊明浩教授提出了一種非對稱的Si基微環(huán)諧振腔-波導結構，在入射功率為2.1毫瓦時，獲得了27dB的正反向光傳輸對比度，但正向透射率卻很低，不到-30dB，而且?guī)挊O小，不超過0.0lnm。雖然Weiner和齊明浩等人提出通過“加熱”的方式對微腔諧振波長進行調節(jié)以增大帶寬，但這既不利于光子芯片集成，也不利于光二極管的高速響應。
[0005]因此，如何在較低的入射光功率下，使光二極管既具有超高的正反向傳輸對比度，同時又具有較高的正向透射率以及較大的工作帶寬，成為一個啓需解決的重要問題。
【實用新型內容】
[0006]為了克服現(xiàn)有技術的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置，實現(xiàn)了全光二極管既具有超高的正反向傳輸對比度，同時又具有較高的正向(或反向)透射率以及較大的工作帶寬，并且能對光的單向傳輸方向進行自由切換。
[0007]本實用新型的目的通過以下技術方案實現(xiàn):
[0008]—種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置，包括波長調諧連續(xù)波激光器、基于光子晶體的全光二極管及兩個功率可調超短脈沖激光器；
[0009]所述基于光子晶體的全光二極管，由前側光子晶體波導、直接耦合微腔、側邊耦合微腔、傳輸波導、后側光子晶體波導組成；所述前側光子晶體波導位于直接耦合微腔的左偵U，后側光子晶體波導位于側邊耦合微腔的右側;所述傳輸波導位于直接耦合微腔、側邊耦合微腔之間；
[0010]所述兩個功率可調超短脈沖激光器分別用于對直接耦合微腔、側邊耦合微腔栗浦;所述波長調諧連續(xù)波激光器用于提供入射信號光。
[0011]所述光子晶體由Si材料圓形介質柱構成正方晶格，所述介質柱的直徑為0.4a;所述直接耦合微腔由直徑為0.2a的圓形介質柱構成;所述側邊耦合微腔由直徑為0.204a圓形介質柱構成;直接耦合微腔與側邊耦合微腔的中心水平距離為7a;其中a為光子晶體的晶格常數(shù)。
[0012]所述前側光子晶體波導、傳輸波導、后側光子晶體波導均通過在光子晶體上移除I行圓形介質柱形成。
[0013]本實用新型的原理如下:當一定功率和波長(其波長略大于側邊耦合微腔的諧振波長)的連續(xù)波信號光入射時，利用兩個功率可調超短脈沖激光分別對直接耦合微腔和側邊耦合微腔進行栗浦。其中直接耦合腔充當可變透射單元，而側邊耦合腔充當可變反射單元。由于這兩個微腔都是非線性的，在合適的脈沖栗浦功率下，借助非線性Kerr效應可使得這兩個微腔出現(xiàn)光學雙穩(wěn)態(tài)，即高能量態(tài)和低能量態(tài)。當直接耦合微腔處于高能量狀態(tài)時，微腔的諧振波長將產生紅移，如果紅移后的諧振波長與入射信號光波長恰好相等，則信號光將以較高的透射率通過直接耦合腔;反之，當直接耦合微腔處于低能量狀態(tài)時，則信號光由于失諧量較大而難以通過直接耦合腔。類似的，當側邊耦合微腔處于高能量狀態(tài)時，如果微腔諧振波長紅移后與入射信號光波長恰好相等，則信號光將以很高的反射率被側邊耦合腔反射回去(此時側邊耦合腔相當于一個高效的反射鏡)，從而透射被截止;反之，當側邊耦合微腔處于低能量狀態(tài)時，則信號光由于失諧量較大而被反射極小，從而以較高的透射率通過側邊耦合微腔。這樣，通過選擇合適的脈沖栗浦功率，可使兩個微腔出現(xiàn)高能量態(tài)和低能量態(tài)的多種組合，從而實現(xiàn)全光二極管的正向高透或反向高透。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0015](I)本實用新型的全光二極管利用直接耦合腔和側邊耦合腔的光學雙穩(wěn)效應，其雙穩(wěn)區(qū)間帶寬較大，從而可以獲得比現(xiàn)有非線性全光二極管更大的工作帶寬。
[0016](2)本實用新型的全光二極管的直接耦合微腔和側邊耦合微腔的諧振波長可以通過對微腔的形狀、尺寸的精細設計來自由操控，從而使得光二極管對信號光波長具有更好的適用性。
[0017](3)本實用新型的全光二極管采用微納光子晶體結構，簡約緊湊，可使用硅等半導體材料制作，易于與其他光子器件集成。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型的實施例的實現(xiàn)光傳輸正向高透而反向低透的基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置的組成示意圖。
[0019]圖2為本實用新型的實施例的實現(xiàn)光傳輸正向高透而反向低透的基于光子晶體的全光二極管的示意圖。
[0020]圖3為本實用新型的實施例的實現(xiàn)光傳輸反向高透而正向低透的基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置的組成示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合實施例，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0022]實施例1
[0023]如圖1所示，本實施例的基于光子晶體的全光二極管的單向光傳輸裝置包括功率可調超短脈沖激光器(Pulsed LD)1、功率可調超短脈沖激光器(PulsedLD)2、波長可調諧連續(xù)波激光器(CW LD)3、基于光子晶體的全光二極管4，波長可調諧連續(xù)波激光器3與基于光子晶體的全光二極管的前側光子晶體波導13之間依次設有50 X顯微物鏡5、50 X顯微物鏡6;功率可調超短脈沖激光器I與基于光子晶體的全光二極管的直接耦合微腔14之間沿光路方向依次設有50 X顯微物鏡7、反射鏡8、50 X顯微物鏡9;功率可調超短脈沖激光器2與基于光子晶體的全光二極管的側邊耦合微腔15之間沿光路方向依次設有50X顯微物鏡10、反射鏡11、50 X顯微物鏡12 ο波長可調諧連續(xù)波激光器3的工作波長為λ = (1550 ± I )nm，超短脈沖激光器I?2的中心波長為λ= (1550 ± 2 )nm，脈寬為200f s，重復頻率為350MHz。
[0024]如圖2所示，本實施例的基于光子晶體的全光二極管由16X 15的Si材料圓形介質柱構成正方晶格，沿xy平面排布，每根介質柱的折射率為no = 3.4，高度(垂直于xy平面)h =2μπι，直徑d = 0.4a，其中a = 543nm為晶格常數(shù)。基于光子晶體的全光二極管由前側光子晶體波導13、直接耦合微腔14、側邊耦合微腔15、傳輸波導16、后側光子晶體波導17組成。所述前側光子晶體波導13位于直接耦合微腔的左側14，后側光子晶體波導17位于側邊耦合微腔15的右側;所述傳輸波導16位于直接耦合微腔14、側邊耦合微腔15之間。前側光子晶體波導13、傳輸波導16、后側光子晶體波導17均為WGl波導(由移去一行光子晶體介質柱形成)，是信號光的傳輸通道。所述直接耦合微腔和側邊耦合微腔均為單模諧振腔，直接耦合微腔的諧振波長大于比側邊耦合微腔的諧振波長，差值為直接耦合微腔的腔模線寬的2倍，連續(xù)波激光器的工作波長位于光子晶體帶隙范圍內，且大于側邊耦合微腔的諧振波長，所述連續(xù)波激光器的工作波長與側邊耦合微腔的諧振波長的差值為直接耦合微腔的腔模線寬的2.7倍。
[0025]本實施例的直接耦合微腔14為直徑d= 0.2a(a為光子晶體常數(shù))的圓形介質柱，折射率為3.4，直接耦合微腔14的諧振波長為1546nm，腔模線寬為1.4nm;側邊耦合微腔15為直徑d = 0.204a(a為光子晶體常數(shù))的圓形介質柱，折射率為3.4，諧振波長為154311111，腔模線寬為0.64nm;直接耦合微腔14與側邊耦合微腔15的中心水平距離為I = 7a。
[0026]本實施例的基于光子晶體的全光二極管實現(xiàn)光傳輸?shù)恼蚋咄付聪虻屯傅姆椒?，包括以下步驟:
[0027]第一步:開啟功率可調超短脈沖激光器I和功率可調超短脈沖激光器2，將其功率分別調至18瓦和8瓦。功率可調超短脈沖激光器I經顯微物鏡7準直及反射鏡8的反射后，再經顯微物鏡9聚焦后，垂直于xy平面對直接耦合微腔14進行栗浦；與此同時，功率可調超短脈沖激光器2經顯微物鏡10準直及反射鏡11的反射后，再經顯微物鏡12聚焦后，垂直于xy平面對側邊耦合微腔15進行栗浦，借助于非線性Kerr效應，直接耦合微腔14、側邊耦合微腔15的能量狀態(tài)分別進行調控，使直接耦合微腔14處于高能量透射諧振態(tài)，而側邊耦合微腔15處于低能量反射失諧狀態(tài)。
[0028]第二步:開啟波長可調諧連續(xù)波激光器3，將其功率調至5毫瓦，并利用偏振片令波長可調諧連續(xù)波激光器3的電場偏振均沿線性光子晶體介質柱方向(即橫磁模，TM偏振)。如圖1所示，波長可調諧連續(xù)波激光器3發(fā)出的信號光經顯微物鏡5準直及顯微物鏡6聚焦后沿2維線性光子晶體平面(S卩xy面)射入前側光子晶體波導13，依次通過直接耦合微腔14以及側邊耦合微腔15，并與它們依次發(fā)生光耦合作用。此時，在非線性Kerr效應下，直接耦合微腔14將處于光學雙穩(wěn)態(tài)的高能量透射諧振態(tài)(即高透)，而側邊耦合微腔15將處于低能量反射失諧狀態(tài)(即低反高透)，故信號光將以較高的透射率通過直接耦合微腔14以及側邊耦合微腔15，由后側光子晶體波導17出射。
[0029]第三步:在圖1中系統(tǒng)的基礎上，掉轉信號光的方向(如圖3所示)，使波長可調諧連續(xù)波激光器3發(fā)出的信號光從后側光子晶體波導17入射(即反向入射)，先經過側邊耦合微腔15再經過直接耦合微腔14，使兩個腔的能量產生差異，在脈沖栗浦光的進一步作用下，使得側邊耦合微腔15處于高能量諧振反射狀態(tài)(即高反低透)，而直接耦合微腔14處于低能量透射失諧狀態(tài)(即低透)，從而使得由后側向前側傳輸(即反向傳輸)的信號光的透射率極低。
[0030]這樣便可實現(xiàn)正向高透(大于80%)而反向低透(小于I %)，從而獲得極高的對比度(超過20dB)及較大的工作帶寬(約Inm) ο
[0031]實施例2
[0032]本實施例的實現(xiàn)光傳輸反向高透而正向低透全光二極管除下述特征外，其余特征均與實施例1同。
[0033]將兩個功率可調超短脈沖激光器的功率分別調至20瓦和9瓦。
[0034]將波長可調諧連續(xù)波激光器發(fā)出的信號光沿2維線性光子晶體平面(S卩xy面)射入基于光子晶體的全光二極管的前側線性光子晶體波導(即正向入射)，在非線性Kerr效應下，直接耦合微腔和側邊耦合微腔都將處于高能量態(tài)。但由于此時側邊耦合微腔的諧振波長紅移后與入射信號光波長恰好相等，則信號光將以很高的反射率被側邊耦合微腔反射回去(此時側邊耦合微腔相當于一個高效的反射鏡)，從而正向透射被截止。
[0035]而將連續(xù)波激光器發(fā)出的信號光由全光二極管系統(tǒng)的后側線性光子晶體波導入射時，在非線性Kerr效應下，側邊耦合微腔將處于低能量反射失諧狀態(tài)(即低反高透)，而直接耦合微腔將處于光學雙穩(wěn)態(tài)的高能量透射諧振態(tài)(即高透)，故信號光將以較高的透射率向前側波導出射。
[0036]這樣便可實現(xiàn)反向高透(約85%)而正向低透(小于I %)，從而獲得極高的對比度(超過20dB)及較大的工作帶寬(約Inm) ο
[0037]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置，其特征在于，包括波長調諧連續(xù)波激光器、基于光子晶體的全光二極管及兩個功率可調超短脈沖激光器； 所述基于光子晶體的全光二極管，由前側光子晶體波導、直接耦合微腔、側邊耦合微腔、傳輸波導、后側光子晶體波導組成;所述前側光子晶體波導位于直接耦合微腔的左側，后側光子晶體波導位于側邊耦合微腔的右側;所述傳輸波導位于直接耦合微腔、側邊耦合微腔之間； 所述兩個功率可調超短脈沖激光器分別用于對直接耦合微腔、側邊耦合微腔栗浦;所述波長調諧連續(xù)波激光器用于提供入射信號光。2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置，其特征在于，所述光子晶體由Si材料圓形介質柱構成正方晶格，所述介質柱的直徑為0.4a;所述直接耦合微腔由直徑為0.2a的圓形介質柱構成;所述側邊耦合微腔由直徑為0.204a圓形介質柱構成;直接耦合微腔與側邊耦合微腔的中心水平距離為7a;其中a為光子晶體的晶格常數(shù)。3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置，其特征在于，所述前側光子晶體波導、傳輸波導、后側光子晶體波導均通過在光子晶體上移除I行圓形介質柱形成。
【文檔編號】H01S3/094GK205622040SQ201620233001
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】李潮, 王敏, 吳俊芳
【申請人】華南理工大學