CN102591093B - 基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器 - Google Patents
基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，它包含在二维光子晶体中的一个多分支交叉波导，该交叉波导为十字交叉波导或X交叉波导；所述的十字交叉波导与信号光输入波导、参考光输入波导垂直交叉；交叉波导的两个相邻端口分别为信号光输入端和参考光输入端，所述的参考光输入端对置处为输出端，所述的信号光输入端对置处为闲置端；在所述交叉波导交叉处的波导内均设置有至少3根奇数介质杆。本发明的发生器结构体积小、低耗能、易于实现大规模逻辑光路集成。
Description
技术领域
本发明属于光子晶体集成器件领域，涉及二维光子晶体、光子晶体线缺陷波导网络、点缺陷、非线性介质、光学“非”门、波导光程差，特别涉及一种基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器。
背景技术
1987年，E.Yablonavitch和S.John首先提出了光子晶体的概念，光子晶体是折射率在空间周期变化的电介质微结构，其晶格常数与工作光波的波长为同一数量级，光子晶体具有很好的光子局域性和光子带隙。
自光子晶体面世以来，对其的研究取得了很大的进展：光子晶体可以应用于制造高性能的反射镜、光子晶体光波导、发光二极管、波长滤波器、微谐振腔、光开光等各种光子晶体器件。
各种数字电子芯片都是基于电子逻辑器件，但电子逻辑器件有自身的理论局限，光学器件相对于电学器件具有：大容量、抗干扰、柔软性、无感应信号、空间传播特性。近年来，利用光子晶体材料制作光学逻辑器件的研究工作成为一个研究热点，但光学逻辑器件的运行需要脉冲信号加以控制。
传统的光学单脉冲都是通过脉冲光源获得，例如调Q和锁模激光器，通过这种方法获得光学单脉冲需要使用体积较大的装置，而且耗能大，关键是这种类型的光学单脉冲发生器不利于集成，无法应用到集成光学逻辑器件中，本发明的光学单脉冲发生器是利用光子晶体中的光路实现的，具有结构体积小、低耗能等优点，也易于实现集成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构体积小、低耗能、易于集成的光学单脉冲发生器。解决本发明技术问题的技术方案是：提供一种基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，包含在二维光子晶体中的一个多分支交叉波导，该交叉波导为十字交叉波导或X交叉波导；所述的十字交叉波导与信号光输入波导、参考光输入波导垂直交叉；交叉波导的两个相邻端口分别为信号光输入端和参考光输入端，所述的参考光输入端对置处为输出端，所述的信号光输入端对置处为闲置端；在所述交叉波导交叉处的波导内均设置有至少3根奇数介质杆。
所述的二维光子晶体由硅或其它高折射率介质杆在空气或其它低折射率背景介质中呈二维周期性排列构成，该光子晶体的光子禁带覆盖了工作波长的取值，优选地，低折射率介质材料取为空气，高折射率介质取为硅材料，周期结构光子晶体的晶格常数取为aμm，介质杆的半径取为0.18aμm，工作波长取为2.9762aμm。
所述信号光输入波导、参考光输入波导、输出波导和闲置端输出波导为光子晶体线缺陷波导，波导中传输的光波的波长位于波导两侧的光子晶体的光子禁带波长范围内。
所述信号光输入波导、参考光输入波导或输出波导的长度不小于3个晶格周期或晶格常数，信号光输入波导的长度大于参考光输入波导的长度。
所述信号光在输入波导中的传输光程与参考光在参考光输入波导中的传输光程的光程差约为波长的整数倍，即光程相位差约为2π的整数倍，信号光与参考光初位相相同；所述的传输光程差包含信号光与参考光的初位相差折合的等效光程差，该等效光程差约为波长的整数倍，即等效光程相位差约为2π的整数倍，信号光与参考光初位相不同。
所述的交叉波导以波导交叉点为对称中心，沿每个波导的轴线方向分布有5根介质杆，且这些介质杆的轴心位于波导的轴线上。
所述奇数介质杆数量为5根。
所述交叉波导交叉处的介质杆为非线性介质杆，优选地，所述非线性介质杆的半径取为0.25aμm，无穷大频率处的相对介电常数取为4.5，二阶非线性系数取为0，三阶非线性系数取为0.5μm2/V2，非线性介质杆左右和上下各设置4根线性介质杆，其半径分别取为0.14aμm和0.15aμm。
所述的X交叉波导与两波导成非90度的角度交叉，优选地，非90度交叉包括30度、45度、60度交叉。
所述的分支波导为直波导或弯曲波导。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提供的光学单脉冲发生器具有结构体积小、低耗能、易于实现大规模逻辑光路集成。
附图说明
基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器的典型结构如图1所示，它由一个“十”字形波导结构组成，端口1和端口2为输入端，端口4为输出端，端口3为闲置端。a和b分别对应的为4根线性介质杆，c对应的为非线性介质杆。
图1是实施例1的基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器的结构示意图，其中空白部分为空气，空白线性缺陷为光波导，端口1和端口2为输入端，端口4为输出端，端口3为闲置端。a和b分别对应的为4根线性介质杆，c对应的为非线性介质杆。
图2是实施例1的单脉冲发生器最后处于稳态时的光场分布，其中每条线对应一场强等强度线，为便于查看，省略了场强超过1的区域中的等强度线。为了简化起见，图中省略了反相区的场分布。
图3是实施例1的单脉冲光发生器的输出端口的光的电场幅度的平方随时间变化的曲线。
图4是实施例2的基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器的结构示意图。
图5是实施例2的单脉冲光发生器的输出端口的光的电场幅度的平方随时间变化的曲线。
图6是实施例3的基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器的结构示意图。
图7是实施例3的单脉冲光发生器的输出端口的光的电场幅度的平方随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明由基于二维光子晶体线缺陷的具有稳定光程差的交叉波导结构和交叉处的介质杆组成，典型结构参见图1。超短单脉冲光发生器由在低折射率介质中周期性排列的介质柱组成，其中除标有符号c以外的所有黑色圆点均为线性高折射率介质柱，标有符号c的介质杆为非线性杆。优选地，低折射率材料(空白部分)取为空气，其折射率取为1，线性高折射率介质选为硅材料，其折射率取为3.4，晶格常数a取为1μm，线性高折射率介质柱的半径取为0.18μm，阵列数位取为17×29，工作波长取为2.9762μm。
对于光通信中光波波长为1.55μm，根据麦克斯韦方程解的伸缩不变性原理，将结构的几何尺寸和结构中的所有元素的几何尺寸做相同系数的缩放，同时将波长做等比例缩放，则解的形式不变。将工作波长由2.9762μm变为1.55μm的缩小系数为2.9762/1.55＝1.92，为了使结构能在这个工作波长处工作，则需要将晶格常数变为1μm/1.92＝0.5208μm。
具体实施例1如图1所示，在空气背景中让介质杆17×29四角晶格排布阵列，在其中移除一些介质杆形成光子晶体交叉波导，在端口1处设置信号光，在端口2处设置参考光，最后在端口4处得到输出，其中标记为c的介质柱位置为坐标原点(0，0)，规定晶格阵列中第m行、第n列位置处的晶格坐标为(m，n)。把第0行和第0列的介质柱挖掉形成交叉垂直波导。端口1处的入射光源坐标为(-19.5，0)、端口2处的入射光源坐标为(0，-8)。a和b分别对应的为4根线性介质杆，a所对应的4根介质杆半径为0.14μm，从左向右坐标依次为(-1.5，0)、(-0.75，0)、(0.75，0)、(1.5，0)；b所对应的4根线性介质杆半径为0.15-，从上往下坐标依次为(0，1.41)、(0，0.81)、(0，-0.81)、(0，-1.41)。c对应的为非线性介质杆，半径为0.25μm，非线性材料的的无穷大频率处的相对介电常数为4.5，二阶非线性系数为0，三阶非线性系数为0.5μm2/V2.
适当调节端口1处信号光的位置(如图1)，使2束光波再次相遇时具有强度相当、光程差为波长的整数倍，即光程相位差为2π的整数倍。
由于波导两侧的介质杆只是起约束波的传播的作用，一般情况下，有三排介质杆已经有相当好的约束作用，因此图1所示的结构中，线缺陷波导的两侧最少可以只保留3层介质柱。
其工作过程如下：
工作之前，即t＝0时刻之前，参考光和输入光都不存在。在开始工作时，即自t＝0时刻开始，在端口2加参考光，在输入端1加输入光。由于参考光到波导交叉处的路径比较短，参考光先进入交叉点处的非线性谐振腔中，非线性腔中的光场逐步变大，通过谐振腔的谐振遂穿效应，输出端4的输出光也逐渐增大。其后，随着来自端口1的信号光到达非线性谐振腔中，谐振腔中场强变得更大，但是，此时谐振腔内部的非线性介质的介电常数也变得更大，导致非线性杆的作用完全与结构中的一根介质杆b的相当，谐振腔特性消失，波导内垂直方向设置的5根介质杆对自端口2过来的参考光产生强烈的反射，输出端口4的输出光基本消失，从而完成了一个单脉冲光的发生过程。
数字模拟结果证实，该结构能产生单脉冲。在输入端施加一个连续波的情况下，数字模拟的结果如图2和图3所示，其中图2是图3所示的时间轴末端，即ct＝1000μm时图1所示结构的场分布图。在图2中，为了简化起见，只画出了电场值位于0～1之间的光场。图3给出的模拟结果证明，该结构确实能产生半功率宽度为109.33飞秒的单次超短单脉冲。模拟时，信号光和参考光的功率线密度相等，均为0.5W/μm，初位相均为0度。
图4是实施例2，所用的材料与实施例1中的相同。实施例2与实施例1的差别在于波导1和波导3的长度及参考光和信号光的位置有所变化，其中参考光的位置为(0，-5)，信号光的位置为(-10.744，0)，这里同样将标记为c的介质柱位置设置为坐标原点(0，0)。但是，在实施例2中，波导1中的信号光和2中的参考光的光程差还满足波长的整数倍，即光程相位差还为2π的整数倍。图5是在输入端施加一个连续光信号情况下，数字模拟得到的输出端光信号时间波形图。图5显示，图4的结构能获得半功率宽度为109.20飞秒的单次超短脉冲。模拟时，信号光的光功率线密度为0.47，信号光的初位相为-30度，参考光的功率线密度为0.9W/μm，参考光初位相为0度。
图6是实施例3，所用的材料与实施例1中的相同。实施例3与实施例1的差别在于波导1和波导3的长度和形状、信号光的位置有所变化，其中参考光的位置为(0，-8)，信号光的位置为(-14，-4)，这里同样将标记为c的介质柱位置设置为坐标原点(0，0)。但是，在实施例3中，波导1中的信号光和2中的参考光的光程差还满足波长的整数倍，即光程相位差还为2π的整数倍。图7是在输入端施加一个连续光信号情况下，数字模拟得到的输出端光信号时间波形图。图7显示，图6的结构能获得半功率宽度为106.21飞秒的单次超短脉冲。模拟时，信号光的功率线密度为0.225W/μm，信号光在入射处的初位相为-45度，参考光的功率线密度为0.45W/μm，参考光在入射处的初位相为0度。
本发明中的光学单脉冲发生器是基于光的非线性效应。在空波导交叉处附近设置线性介质点缺陷和非线性介质点缺陷，通过改变其位置、半径、折射率以及非线性系数实现单脉冲发射。输入光分别从两个波导输入后，在设计好的波导交叉处发生非线性相互作用，从特定的输出端输出。
以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对发明限制。
Claims (10)
1. 一种基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，其特征在于：包含在二维光子晶体中的一个多分支交叉波导，该交叉波导为十字交叉波导或X交叉波导；所述的十字交叉波导与信号光输入波导、参考光输入波导垂直交叉；所述信号光输入波导的长度大于参考光输入波导的长度；交叉波导的两个相邻端口分别为信号光输入端和参考光输入端，所述的参考光输入端对置处为输出端，所述的信号光输入端对置处为闲置端；在所述交叉波导交叉处的波导内均设置有至少3根奇数介质杆；所述交叉波导交叉处的介质杆为非线性介质杆。
2.根据权利要求1所述基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，其特征在于：所述的二维光子晶体由硅或其它高折射率介质杆在空气或其它低折射率背景介质中呈二维周期性排列构成，该光子晶体的光子禁带覆盖了工作波长的取值，低折射率介质材料取为空气，高折射率介质取为硅材料，周期结构光子晶体的晶格常数取为 
，介质杆的半径取为0.18
，工作波长取为2.9762
。
3.根据权利要求1所述基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，其特征在于：所述信号光输入波导、参考光输入波导、输出波导和闲置端输出波导为光子晶体线缺陷波导，波导中传输的光波的波长位于波导两侧的光子晶体的光子禁带波长范围内。
4.根据权利要求3所述基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，其特征在于：所述信号光输入波导、参考光输入波导或输出波导的长度不小于3个晶格周期或晶格常数。
5.根据权利要求1或3所述基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，其特征在于，所述信号光在输入波导中的传输光程与参考光在参考光输入波导中的传输光程的光程差约为波长的整数倍，即光程相位差约为2
的整数倍，信号光与参考光初位相相同；所述的传输光程差包含信号光与参考光的初位相差折合的等效光程差，该等效光程差约为波长的整数倍，即等效光程相位差约为2
的整数倍，信号光与参考光初位相不同。
6.根据权利要求1所述基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，其特征在于：所述的交叉波导以波导交叉点为对称中心，沿每个波导的轴线方向分布有5根介质杆，且这些介质杆的轴心位于波导的轴线上。
7.根据权利要求1所述基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，其特征在于：所述奇数介质杆数量为5根。
8.根据权利要求1所述基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，其特征在于： 所述非线性介质杆的半径取为0.25
，无穷大频率处的相对介电常数取为4.5，二阶非线性系数取为0，三阶非线性系数取为0.5，非线性介质杆左右和上下各设置4根线性介质杆，其半径分别取为0.14
和0.15。
9.根据权利要求1所述基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，其特征在于：所述的X交叉波导与两波导成非90度的角度交叉，非90度交叉包括30度、45度、60度交叉。
10.根据权利要求1所述基于非线性效应的光子晶体交叉波导超短单脉冲光发生器，其特征在于：所述的分支波导为直波导或弯曲波导。
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