CN102591095B - 基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子晶体交叉分光波导的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叉交波导；所述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，在所述交叉波导的交叉处设置有介质杆构成波导点缺陷，形成交叉分光结构；一个分支波导分别与信号光、参考光相连接，其另一个分支波导输出单脉冲光。本发明发生器结构的体积小、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、光子晶体线缺陷分光波导、光子晶体点缺陷、光波相位差，尤其涉及一种基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器。
背景技术
1987年，美国Bell实验室的Yablonovitch和Princeton大学的John分别在研究如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域时，各自独立地提出了光子晶体的概念：由不同介电常数的材料间隔周期排列而成的微结构，其晶格常数与工作光波的波长为同一数量级。
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。
近年来，光学逻辑器件的研究工作成为一个研究热点，一些基本的光学逻辑门已经成功地被发明和实现，进一步大规模逻辑功能的实现则需要用到脉冲发生器作为控制信号，本发明是一种对比度很高的全光单脉冲发生器。
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，全部采用线性材料，具有体积小、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：提供了一种基于光子晶体交叉分光波导的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或X交叉波导；所述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，在所述交叉波导的交叉处设置有介质杆构成波导点缺陷，形成交叉分光结构；其一个分支波导分别与信号光、参考光相连接，另一个分支波导输出单脉冲光。
所述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材料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，低折射率介质材料为空气，高折射率介质取为硅，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、参考光输入波导和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、参考光输入波导的长度不同。
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。
所述信号光输入波导、参考光输入波导的光程差的最优值，可以获得较好的单脉冲，相应的高低逻辑幅度比达到最大，脉冲宽度达到最小。
所述交叉波导交叉处的波导缺陷介质杆为线性介质杆，优选地，所述波导缺陷介质杆与构成光子晶体的介质杆的材料为同一种材料，其半径取为0.292aμm。
所述交叉波导产生的单脉冲的脉宽为该结构中的信号光输入波导、参考光输入波导的相位差除以工作波长圆频率，即为2mπ/ω，其中m为自然正整数，ω为工作波长圆频率。
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
基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器的典型结构如图1所示，它由两个具有光程差的“十”字波导结构和点缺陷介质杆组成，端口1为输入端，端口2为输入端，端口3为闲置端，端口4为输出端。
图1是实施例1的基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器的典型结构示意图，其中空白部分为空气，红色实心圆点为介质杆，线形空白缺陷为光波导，“十”字交叉处的红色圆点为点缺陷介质杆，端口1为输入端，端口2为输入端，端口3为闲置端，端口4为输出端。
图2是实施例1的单脉冲光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波的电场幅度的平方随时间变化的曲线。
图4是实施例2的基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器
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的基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器
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。
(五)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分光波导结构和位于波导交叉处的波导点缺陷组成，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，其中的圆点均为线性高折射率介质柱，优选地，低折射率材料(空白部分)取为空气，折射率分别取为31，线性高折射率介质取为硅，折射率取为3.4，硅柱的半径取为0.18μm。阵列数位为17×31，晶格常数a为1μm，工作波长为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柱17×31四角晶格排布阵列，取图1中“十”字波导交叉中心位置为坐标原点(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(-20.2，0)，端口2处的入射光源坐标为(0，-8)。“十”字交叉处点缺陷介质杆的半径为0.292μm，其坐标为(0.188，-0.188)。在端口1处输入信号光波，在端口2处输入参考光波，最后在端口4处得到单脉冲光输出。
适当调节端口1和端口2处光源的位置以及点缺陷介质杆的位置和半径大小(如图1)，使2束光波到达点缺陷时具有强度相当、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波导缺陷介质杆处，该波导缺陷介质杆等效于一个低品质因子的谐振腔，腔中的光场逐步变大，耦合到输出端4的输出光也逐渐增大。其后，随着来自端口1的信号光到达谐振腔中，由于波导缺陷介质杆对输入光和参考光的相移相差180度，耦合到输出端4的信号逐步下降，稳态时，输出光场基本消失，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。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123.446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P0，信号光和参考光在其入射端的初位相均为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1～32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，-4)，信号光的位置为(-10.48，0)，这里同样取十字交叉波导交叉中心位置为坐标原点(0，0)。信号光的输入功率为1.68P0，信号光在入射端的初位相为-9度，参考光的输入功率为0.9P0，参考光在入射端的初位相为0度。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80.01飞秒的单次超短脉冲。
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1～3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)，这里同样将波导交叉中心点位置设为坐标原点(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86.15飞秒的单次超短脉冲。模拟时，信号光的功率线密度为1.29P0，信号光在入射端的初位相为77度，参考光的功率线密度为0.5P0，参考光在入射端的初位相为0度。
本发明光学单脉冲发生器是基于光的干涉原理。信号光和参考光沿不同的方向进入波导，两束光波经历的光程不相同，在多分支波导的交叉处相遇，适当改变结构和光程差，使两束光波具有稳定的相位差，利用波导中的缺陷介质杆的分光和移相作用，在输出波导中相干叠加后产生超短单脉冲光输出。
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 (12)
1.一种基于光子晶体交叉分光波导的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；所述交叉波导为删除行和列的介质柱形成交叉垂直波导；所述交叉波导包含四个端口，所述四个端口分别为信号光输入波导、参考光输入波导、单脉冲输出波导和闲置端；在所述交叉波导的交叉处设置有介质杆构成波导点缺陷，形成交叉分光结构，其特征在于，所述信号光输入波导、参考光输入波导的长度不同；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为波长的整数倍，即光程相位差为2π的整数倍；所述波导点缺陷处的介质杆对信号光和参考光的相移相差180度。
2.一种基于光子晶体交叉分光波导的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X交叉波导；所述交叉波导为删除行和列的介质柱形成交叉波导；所述交叉波导包含四个端口，所述四个端口分别为信号光输入波导、参考光输入波导、单脉冲输出波导和闲置端；在所述交叉波导的交叉处设置有介质杆构成波导点缺陷，形成交叉分光结构，其特征在于，所述信号光输入波导、参考光输入波导的长度不同；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为波长的整数倍，即光程相位差为2π的整数倍；所述波导点缺陷处的介质杆对信号光和参考光的相移相差180度。
3.根据权利要求1所述基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器，其特征在于，所述二维光子晶体由高折射率介质杆在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，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。
4.根据权利要求1所述基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器，其特征在于，所述信号光输入波导、参考光输入波导和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。
5.根据权利要求4所述基于光子晶体交叉分光波导的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。
6.根据权利要求1或4所述基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器，其特征在于，所述交叉波导交叉处的波导点缺陷处的介质杆为线性介质杆，所述波导点缺陷处的介质杆与构成光子晶体的介质杆的材料为同一种材料，其半径取为0.292aμm,其中周期结构光子晶体的晶格常数为aμm。
8.根据权利要求1所述基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器，其特征在于，所述交叉波导产生的单脉冲的脉宽为该结构中的信号光输入波导、参考光输入波导的相位差除以工作波长圆频率，即为2mπ/ω，其中m为正整数，ω为工作波长圆频率。
9.根据权利要求2所述基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器，其特征在于，所述的X交叉波导成非90度的角度交叉。
10.根据权利要求9所述基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器，其特征在于，所述的非90度交叉包括30度、或45度、或60度交叉。
11.根据权利要求1所述基于光子晶体交叉分光波导的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。
12.根据权利要求3所述基于光子晶体交叉分光波导的超短单脉冲光发生器，其特征在于，低折射率背景介质为空气，高折射率介质杆的材料为硅。
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