CN103558665B - 光波导脉冲耦合器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光波导脉冲耦合器及其制造方法，采用As₂S₈-B270玻璃复合波导的非饱和光阻断效应实现对输入作用电脉冲信号的耦合响应，利用光学反相非对称输入的波导分支模式耦合效应提供阈值限制。通过将非饱和光阻断效应表现的光学粒子性和分支波导模式耦合表现的光学波动性在光波导载体上的有机结合，用全光学方式实现了输入作用电脉冲与输出同步电脉冲之间的脉冲耦合动力学过程，采用全光学方法实现脉冲耦合神经网络PCNN要求的脉冲耦合动力学过程。

Description

光波导脉冲耦合器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种集成光学和光波导技术，特别涉及一种光波导脉冲耦合器及其制造方法。

背景技术

对外部脉冲刺激信号的响应表现出程度上的非线性积累和泄漏是脉冲耦合神经网络（PCNN）对仿神经元的特征性要求，积累和泄漏的竞争结果用阈值来判别，阈值之上的兴奋态表现为响应脉冲的同步发放，低于阈值则显示沉寂。这种输入脉冲与输出脉冲之间的耦合动力学建立在生物大脑视觉皮层研究的实验基础上，PCNN为研发更精确的仿生视觉系统提供了很有潜力的途径。尽管PCNN的软件实现方法有很多，PCNN的实时响应操作需要通过硬件来实现。在硬件实现方面，已见报道的电路技术包括CMOS技术（Y. Ota等：IEEE Transactions on Neural Networks, 10 (3), 539-544, 1999；Y. Ota等：Proc. of the 28th Annual Conference of Industrial Electronics Society, Vol.4, 3221-3226, 2002）、基于FPGA的技术（M. Schafer等：Proc. of the Seventh International Conference on Microelectronics for Neural, Fuzzy and Bio-Inspired Systems, 316-323, 1999；J. Vega-Pineda等：Proc. of International Joint Conference on Neural Networks, 4051-4055, 2006）和超混沌发生器电路技术（Y. Takahashi等：IEEE Transactions on Circuits and Systems—II: Express Briefs, 51 (9), 468–542, 2004）等。利用光信号的可并行处理、无干扰和高速性，用光学或光电结合的手段构造脉冲耦合模型对提高PCNN的系统规模和并行处理速度显然有利。R. Wang等实验了一种光学脉冲发生器，脉冲构造利用了光学双稳态，频率变动利用了反馈控制的光折变光栅，输出脉冲的频率与输入光的强度构成响应关系（Ruibo Wang等：Proc. SPIE, 3715(46), 46～52, 1999）。N. Clark等将光学微透镜的自适应波前校正与PCNN的平滑机制结合起来，显示了降低噪声干扰的效果（N. Clark等：IEEE Transactions on Neural Networks, 10 (3), 599-603,1999）。R.Wang等的工作实质上构造了一种光学形式的脉冲发生器，而并非脉冲耦合器。N. Clark等的工作实质上是把PCNN电路应用于控制一个光学成像系统，以求得到高的信噪比。采用全光学方法实现PCNN要求的脉冲耦合动力学过程的工作成果，迄今未见报道。

发明内容

本发明是针对PCNN的脉冲耦合动力学过程的光学实现的问题，提出了一种光波导脉冲耦合器及其制造方法，将非饱和光阻断效应表现的光学粒子性和分支模式耦合表现的光学波动性在光波导载体上有机结合起来，用全光学方式实现输入作用电脉冲与输出同步电脉冲之间的脉冲耦合动力学过程。

本发明的技术方案为：一种光波导脉冲耦合器，包括光波导脉冲耦合器核心光路1、一个非对称光纤功分器2和一根单模光纤3，非对称光纤功分器2由632.8nm波长单模光纤构成，632.8nm波长的输入光波经非对称光纤功分器2后，按输入光波的设定光功率比例分为两支非等分相干光波，非对称光纤功分器2的两根输出光纤的光轴与光波导脉冲耦合器核心光路1的两根输入光波导的光轴两两对准后，用紫外固化粘结剂对接固定，光波导脉冲耦合器核心光路1的输出光波导的光轴与单模光纤3的光轴对准对接后，用紫外固化粘结剂对接固定，单模光纤3的输出端为光波导脉冲耦合器的输出端。

所述光波导脉冲耦合器核心光路1由一个倒置的Y分支波导4以及在倒置的Y分支波导4的两分支位置上对称制备的两支复合波导5构成，所述倒置的Y分支波导4制备在一块玻璃基板的上表层，所述Y分支波导4由两支长度为5mm的输入直波导4-1、两支截止直波导4-2、两支传递直波导4-3、两支弯曲波导4-4、一个楔形过渡波导4-5和一支输出直波导4-6按Y字形依次对称贯通构成，所述玻璃基板可以是B270玻璃，也可以是BK7或K9光学玻璃。

所述倒置的Y分支波导4用常规二次离子交换技术制备在B270玻璃基板上表层，所述两支输入直波导4-1、两支截止直波导4-2、两支传递直波导4-3、两支弯曲波导4-4和一支输出直波导4-6的宽度均为5μm，所述两支输入直波导4-1的轴线间距是127μm，所述楔形过渡波导4-5与所述两支弯曲波导4-4连接的宽端的宽度是10μm，所述楔形过渡波导4-5与所述输出直波导4-6连接的窄端的宽度是5μm，所述两支截止直波导4-2的长度L₃=3mm，所述两支截止直波导4-2对632.8nm波长截止，所述两支输入直波导4-1、两支传递直波导4-3、两支弯曲波导4-4和一支输出直波导4-6均对632.8nm波长构成单模波导。

所述所述两支复合波导5由所述两支截止直波导4-2和对称制备在两支截止直波导4-2上的开窗的金属Al膜5-1以及制备在所述开窗的金属Al膜5-1上的As₂S₈薄膜5-2构成，所述开窗的金属Al膜5-1沿波导轴方向的长度是4.5mm、厚度是1.9μm、宽度与B270玻璃基板的宽度相同，所述开窗的金属Al膜5-1的两个开窗位置在所述两支截止直波导4-2的正上方、在开窗位置露出所述截止直波导4-2的上表面，所述开窗的金属Al膜5-1的两个开窗的宽度均为5μm、两个开窗长度均为4.5mm，所述制备在开窗的金属Al膜5-1上的As₂S₈薄膜5-2的厚度是1.7μm、沿波导轴方向的长度是4.16 mm，所述As₂S₈薄膜5-2在所述金属Al膜5-1的两个开窗区域与所述两支截止直波导4-2的上表面直接接触。

所述光波导脉冲耦合器核心光路1的制造步骤为：

1）在洁净干燥的B270玻璃基板上，采用常规真空镀膜技术制备厚度为1.9μm的金属Al膜；

2）采用常规光刻技术在所述金属Al膜上开窗，开窗图形除了涉及所述两支截止直波导4-2的、长度为L₃=3mm的区域保持被金属Al膜遮蔽的状态以外，所述开窗图形的其余部分的几何尺寸与所述Y分支波导4中除去所述两支截止直波导4-2以外的图形的几何尺寸完全相同，开窗区域露出B270玻璃基板的上表面，完成上述开窗的金属Al膜作为后续步骤3）实施的第一次离子交换工艺的金属掩膜；

3）对上述步骤2）完成的样品做第一次离子交换，离子源是0.08％AgNO₃-99.92％NaNO₃混合熔融盐，离子交换温度是350℃，离子交换恒温时间是40min；

4）对上述步骤3）完成的样品，采用常规光刻套刻技术开窗打通涉及所述两支截止直波导4-2的、长度为L₃=3mm的区域，形成与所述Y分支波导4的图形的几何尺寸完全相同的金属Al膜开窗图形，该开窗的金属Al膜作为后续步骤5）实施的第二次离子交换工艺的金属掩膜；

5）对上述步骤4）完成的样品做第二次离子交换，离子源以及离子交换温度与所述第一次离子交换的相同，离子交换恒温时间是20min，至此在所述B270玻璃基板的上表层形成所述Y分支波导4；

6）对上述步骤5）完成的样品，采用常规光刻技术套刻去除输入和输出两侧的金属Al膜，保留对称覆盖在所述截止波导4-2上面的开窗的金属Al膜5-1；

7）在上述步骤6）完成的样品上表面，用带有锋利刀口的刀片遮蔽B270玻璃露出区域后，采用常规真空镀膜技术淀积一层厚度为1.7μm、沿波导轴方向的长度为4.16 mm的所述As₂S₈薄膜5-2，构成所述光波导脉冲耦合器核心光路1。

本发明的有益效果在于：本发明光波导脉冲耦合器及其制造方法，采用As₂S₈-B270玻璃复合波导的非饱和光阻断效应实现对输入作用电脉冲信号的耦合响应，利用光学反相非对称输入的波导分支模式耦合效应提供阈值限制。通过将非饱和光阻断效应表现的光学粒子性和分支波导模式耦合表现的光学波动性在光波导载体上的有机结合，用全光学方式实现了输入作用电脉冲与输出同步电脉冲之间的脉冲耦合动力学过程。

附图说明

图1为本发明光波导脉冲耦合器的核心光路的基本结构图；

图2为本发明分支波导模式耦合图；

图3为本发明As₂S₈－B270离子交换复合波导轴向剖面图；

图4为本发明耦合效率η₁与L₁的关联性示意图；

图5为本发明耦合效率η₁与L₂的关联性示意图；

图6为本发明耦合效率η₁与As₂S₈膜厚h的关联性示意图；

图7为本发明复合波导的插入损耗与L₃的关联性示意图；

图8为本发明光波导脉冲耦合器核心光路的制备工艺步骤图；

图9为本发明试制样品的局部显微照片图；

图10为本发明光阻断实验结构示意图；

图11为本发明非饱和光阻断实验结果图；

图12为本发明光波导脉冲耦合器结构示意图；

图13为本发明光阻断脉冲耦合效应实验结构示意图；

图14为本发明光阻断脉冲耦合效应实验结果示意图。

具体实施方式

光波导脉冲耦合器的核心光路的基本结构如图1所示，由一个倒置的Y分支波导4以及在倒置的Y分支波导4的两分支位置上对称制备的两支复合波导5构成，倒置的Y分支波导4制备在一块玻璃基板的上表层，该玻璃基板可以是诸如B270玻璃，也可以是诸如BK7或K9等光学玻璃。Y分支波导4由两支长度为5mm的输入直波导4-1、两支截止直波导4-2、两支传递直波导4-3、两支弯曲波导4-4、一个楔形过渡波导4-5和一支输出直波导4-6按Y字形依次对称贯通构成。两支输入直波导4-1、两支截止直波导4-2、两支传递直波导4-3、两支弯曲波导4-4和一支输出直波导4-6的宽度均为5μm，两支输入直波导4-1的轴线间距是127μm，楔形过渡波导4-5与两支弯曲波导4-4连接的宽端的宽度是10μm，楔形过渡波导4-5与输出直波导4-6连接的窄端的宽度是5μm。两支截止直波导4-2的长度L₃=3mm，对632.8nm波长截止。两支输入直波导4-1、两支传递直波导4-3、两支弯曲波导4-4、和一支输出直波导4-6均对632.8nm波长构成单模波导。倒置的Y分支波导4用常规二次离子交换技术制备在SCHOTT公司的B270玻璃基板上表层。如图1中复合波导5的放大图，其中Ⅰ为垂直于波导光轴的截面放大图，Ⅱ为沿波导光轴的截面放大图，两支复合波导5由两支截止直波导4-2和对称制备在两支截止直波导4-2上的开窗的金属Al膜5-1以及制备在开窗的金属Al膜5-1上的As₂S₈薄膜5-2构成。开窗的金属Al膜5-1沿波导轴方向的长度是4.5mm、厚度是1.9μm、宽度与B270玻璃基板的宽度相同。开窗的金属Al膜5-1的两个开窗位置在两支截止直波导4-2的正上方，在开窗位置露出截止直波导4-2的上表面，开窗的金属Al膜5-1的两个开窗的宽度均为5μm、两个开窗长度均为4.5mm。制备在开窗的金属Al膜5-1上的As₂S₈薄膜5-2的厚度是1.7μm、沿波导轴方向的长度是4.16 mm。As₂S₈薄膜5-2在金属Al膜5-1的两个开窗区域与两支截止直波导4-2的上表面直接接触。由于金属膜的隔离作用，金属Al膜5-1上的As₂S₈薄膜5-2对导波不作用。两支复合波导5对632.8nm波长构成多模波导。

如图2分支波导模式耦合图，脉冲耦合动作利用了上述光波导脉冲耦合器核心光路基本结构的两个基本功能，一个是倒置的单模Y分支波导的模式耦合，另一个是多模复合波导的非饱和光阻断效应。图2（a）给出了由单模波导构成的一个倒置的Y分支耦合光路，两支相干输入光A和B在波导输入端的相位相反、且B光的功率大于A光的。根据模式耦合原理，在楔形过渡波导的入口处激发齐对称1阶模和基模，齐对称1阶模是高阶模，随着楔形波导逐渐变窄，高阶模最终被耦合成辐射模而消散，结果唯有基模从输出端出射。若B光的功率降低至与A光的相等，如图2（b）所示，在楔形过渡波导的入口处只激发齐对称1阶模，该高阶模被输出波导截止，输出光功率接近零。A光在这里发挥了阈值作用。两支输入光的相对光功率的调节利用了复合波导的非饱和光阻断效应，Y分支耦合光路的输出举动表现为对非饱和光阻断效应的响应。非饱和光阻断效应是As₂S₈材料特有的一种光-光作用，利用了次能级电子跃迁过程对632.8nm波长的信号光的吸收，向次能级抽运电子的工作由441.6nm波长的带隙光激励来完成。复合波导除了要求有低的插入损耗以外，光场分布尽可能集中在As₂S₈层中传输是有效实现非饱和光阻断效应的关键。图3是前述As₂S₈- B270离子交换多模复合波导沿波导轴芯切开的剖面图（图中略去了对导波不作用的金属Al膜背载的As₂S₈薄膜），在B270玻璃衬底上，采用选择性二次离子交换技术制备厚度变化的折射率渐变条波导，其中过渡区域L₂通过侧向扩散自然形成，长度与离子交换的温度和时间有关，约为1μ m量级。输入和输出两端的波导提供632.8nm波长单模传输，中间较薄的、长度为L₃的条波导在不覆盖As₂S₈薄膜时对632.8nm波长截止，因此长度为L₃的条波导是截止波导。632.8nm入射光在输入波导中激励基模传输，在复合波导的入射端激发多模，经L₁长度的多模干涉传输后，通过L₂区域的模式相位调节，光波被耦合到L₃区域，且光场分布主要集中在As₂S₈薄膜中传输。L₃被设计成输入场的镜像距离，由于光路结构对称，根据互易原理，光波通过复合波导后被耦合到输出波导出射。

制备离子交换波导的离子源是0.08％AgNO₃-99.92％NaNO₃混合盐，Ag⁺的摩尔比为0.0398％。理论和实验表明，Ag⁺的摩尔比小于0.5％时，扩散系数                                               和表面折射率增量是由Ag⁺摩尔比和离子交换温度T决定的近似常数。对于B270玻璃，T=350℃时，以及。制备条波导时，金属Al膜的开窗宽度为5μm，单模波导和截止波导的累计交换时间分别是60min和20min，有效扩散深度分别是2.43μm和1.40μm。As₂S₈薄膜厚度是1.7μm。复合波导输入端耦合效率用L₃区域的光功率与输入光功率的比值η₁来表征，图4是632.8nm波长的BPM仿真结果，η₁与L₁的长度相关，在L₁=575μm附近，有90%以上的最大耦合效率，且对L₁变动有较好的脱敏性。过渡区L₂由侧向扩散自然形成，长度约为1μm量级，图5的BPM结果显示L₂在0.5～2.0μm范围内变动时η₁几乎不变。这个结果提示对离子交换侧向扩散的控制是宽容的。由于在复合波导的入口处发生了折射率分布的突变，辐射模的激发是难以避免的，耦合效率η₁与As₂S₈薄膜的厚度h也有关，图6给出了BPM结果，As₂S₈薄膜的厚度h在1.68～1.77μm范围内可以获得约为91%的耦合效率，提供了约为0.1μm的膜厚允差。图7给出了复合波导插入损耗与L₃的关联性，在围绕设计长度2800μm的±600μm跨度范围内，插入损耗维持在1dB左右，显著表现出插入损耗对L₃变动的脱敏性。这种脱敏作用与复合波导中引入了离子交换截止波导有关，理论上，由于多模传输，模场分布随传输距离表现周期性变动，在由离子交换单模波导和As₂S₈薄膜构成的L₁区域，周期性镜像再现的现象十分明显。在L₃区域，离子交换单模波导过渡为截止波导，复合波导中高达数十个导模的光场大部集中在As₂S₈薄膜中传输，类似于白光干涉降低了干涉对比度的效果，模场分布随传输距离的周期性变化得到了有效模糊。综上，上述As₂S₈- B270离子交换多模复合波导除了可以为非饱和光阻断效应的实现提供有效作用媒介以外，设计优化特点还体现在插入损耗对诸如过渡长度L₁和L₂、As₂S₈膜厚h、以及截止波导长度L₃等关键参数的变化具有良好的脱敏性，为工艺制备提供了充分的尺寸误差宽容度。

图8给出了光波导脉冲耦合器核心光路的制造步骤：

（1）在洁净干燥的B270玻璃基板上，采用常规真空镀膜技术制备厚度为1.9μm的金属Al膜；

（2）采用常规光刻技术在金属Al膜上开窗，开窗图形除了涉及所述两支截止直波导4-2的、长度为L₃=3mm的区域保持被金属Al膜遮蔽的状态以外，开窗图形的其余部分的几何尺寸与Y分支波导4中除去两支截止直波导4-2以外的图形的几何尺寸完全相同，开窗区域露出B270玻璃基板的上表面，完成上述开窗的金属Al膜如图8（a）所示，该金属Al膜作为后续步骤（3）实施的第一次离子交换工艺的金属掩膜；

（3）对上述步骤（2）完成的样品做第一次离子交换，离子源是0.08％AgNO₃-99.92％NaNO₃混合熔融盐，离子交换温度是350℃，离子交换恒温时间是40min；

（4）对上述步骤（3）完成的样品，采用常规光刻套刻技术开窗打通涉及两支截止直波导4-2的、长度为L₃=3mm的区域，形成与所述Y分支波导4的图形的几何尺寸完全相同的金属Al膜开窗图形图8（b），该开窗的金属Al膜作为后续步骤（5）实施的第二次离子交换工艺的金属掩膜；

（5）对上述步骤（4）完成的样品做第二次离子交换，离子源以及离子交换温度与第一次离子交换的相同，离子交换恒温时间是20min，至此在B270玻璃基板的上表层形成Y分支波导4；

（6）对上述步骤（5）完成的样品，采用常规光刻技术套刻去除输入和输出两侧的金属Al膜，保留对称覆盖在截止波导4-2上面的开窗的金属Al膜5-1，形成如图8（c）所示的含有Y分支波导、截止波导以及覆盖在截止波导上的开窗的金属Al膜的图形，该开窗的金属Al膜沿波导轴方向的长度L₀₃为4.5mm，与图3中的标注之间有L₀₃= L₃+2(L₁+L₂)的关系，Y分支波导4的两支输入直波导4-1的轴线间距L₀₁为127μm，Y分支波导4的输入端面至开窗的金属Al膜5-1左侧边线的长度L₀₂为5mm；

（7）在上述步骤（6）完成的样品上表面，用带有锋利刀口的刀片遮蔽B270玻璃露出区域后，采用常规真空镀膜技术淀积一层厚度为1.7μm、沿波导轴方向的长度为4.16 mm的As₂S₈薄膜5-2，构成图8（d）所示的带有As₂S₈- B270离子交换复合波导结构的光波导脉冲耦合器核心光路样品。图9是试制样品中涉及复合波导和Y分支波导部分的显微照片，其中上下两根直波导是为单独实验验证非饱和光阻断效应而额外准备的备用波导，备用波导与相邻波导的轴线间距为127μm，对光波导脉冲耦合器核心光路的光学特性无任何影响。

非饱和光阻断效应验证采用了上述同基制备的备用直波导，实验结构如图10所示，备用直波导的两端与632.8nm单模光纤端面耦合，光纤－波导－光纤系统的对接耦合采用自行开发的自动调芯技术，光纤与波导端面间填充了折射率匹配液。632.8nm波长的He-Ne激光17经输入光纤16耦合进入备用直波导的输入端，进而激励备用直波导中的复合波导的导模，导波光经备用直波导的输出端耦合进入输出光纤15，进而送入光功率计13，通过示波器14记录显示。带隙光是功率可调的441.6nm波长的He-Cd激光10，经多模光纤12耦合引导，从样品表面辐照复合波导的As₂S₈薄膜，光束照射半径约为2mm。快门开关11用于控制实验程序。

非饱和光阻断效应表现为632.8nm波长的导模传输在441.6nm 波长He-Cd激光照射处被有限截断，撤除441.6nm辐照，632.8nm波长的导模恢复传输。动力学过程可以解释为短波长带隙光输运的浅能级极化子自陷电子构成对长波长信号光子的吸收，对长波长信号光的吸收程度与抽运到隙内自陷能级的电子浓度成比例，因此632.8nm波长的信号光的截断深度与441.6nm波长的带隙光的光子数量有关。图11是备用直波导的复合波导的非饱和光阻断效应的测试结果，纵坐标是632.8nm波长信号光的传输功率，采用6.5mW 的441.6nm波长He-Cd激光抽运，He-Cd激光开闭三次，开通持续时间是20ms，关闭持续时间是105ms。开通期间发生隙内自陷电子的积累，由于采用了较低的抽运光功率，光子抽运效率较低，隙内自陷电子浓度不能在20ms内达到饱和，表现为632.8nm波长信号光的传输不能被深度截断。441.6nm波长He-Cd激光关闭期间，发生隙内自陷电子的泄放，泄放的实质是受激电子的复合，包含两个过程机制，一个是隙内自陷电子经632.8nm波长信号光光子抽运后复合，另一个是室温环境中的自发复合。复合过程表现为632.8nm波长信号光传输功率的逐渐回复，图11的曲线显示，历经105ms后的632.8nm波长信号光的传输功率还不能回复到初始值，表明复合是一个复杂过程，动力学过程分析指出，复合期间伴有部分受激电子被隙内亚稳能级屡次俘获的过程。

光波导脉冲耦合器在上述光波导脉冲耦合器核心光路的基础上构成，光波导脉冲耦合器的基本结构如图12所示，上述光波导脉冲耦合器核心光路1的输入端与一个非对称光纤功分器2对接，该非对称光纤功分器2由632.8nm波长单模光纤构成，632.8nm波长的输入光波经该非对称光纤功分器2后，该输入光波的光功率按2:8的比例功分后分为两支非等分相干光波，非对称光纤功分器2的两根输出光纤的光轴与光波导脉冲耦合器核心光路1的两根输入光波导的光轴两两对准后，用紫外固化粘结剂对接固定，该非对称光纤功分器2的输入端由此成为光波导脉冲耦合器的输入端。光波导脉冲耦合器核心光路1的输出光波导的光轴与一根632.8nm波长单模光纤3对接，该单模光纤3的光轴与光波导脉冲耦合器核心光路1的输出光波导的光轴对准后，用紫外固化粘结剂对接固定，该单模光纤3的输出端由此成为光波导脉冲耦合器的输出端。这里需要说明的是，上述两支非等分相干光波的功率比不限于2：8，如果需要，可通过选择期望功分比的非对称光纤功分器2来获得需要的光功率比例。

光波导脉冲耦合器的脉冲耦合效应实验的实验结构如图13所示，632.8nm波长的He-Ne激光20从光波导脉冲耦合器的输入端入射，经光波导脉冲耦合器中的非对称光纤功分器21后，按A光功率:B光功率=2:8的比例功分后分为A和B两支非等分相干光波，A和B两支非等分相干光波分别激励两支直波导的导模，两支直波导的导模在Y分支波导处发生相干光波的分支耦合，导波光经光波导脉冲耦合器的输出端单模光纤送入光功率计25，用示波器27记录显示。光波导脉冲耦合器中的非对称光纤功分器21的一支光纤局部通过一个常规的温度可调谐恒温器22，利用热光效应调节两支相干光的位相差维持在π的奇数倍。通A光的一支直波导的复合波导区域用不透明的挡板23遮蔽。带隙光是功率为5mW的441.6nm波长的He-Cd激光，该441.6nm波长的He-Cd激光经多模光纤耦合引导，从光波导脉冲耦合器的上表面辐照通B光的一支直波导的复合波导24区域的As₂S₈薄膜，441.6nm波长的光束在As₂S₈薄膜上的照射半径约为2mm。441.6nm波长的He-Cd激光的辐照脉冲程序用快门开关控制。图13中的常规电路处理系统26用以得到耦合脉冲的同步发放，常规电路处理系统26中的阈值器电路用以阈值判别，阈值判别的结果决定是否允许触发器工作。触发器处于工作态时，遵循降沿触开、升沿触闭的规则。常规电路处理系统26中的电脉冲串的脉宽是10 ms，脉冲周期是200 ms。常规电路处理系统的电信号输出用示波器28记录显示。

632.8nm波长导波光的输出示于图14（a），441.6nm波长He-Gd激光辐照脉冲的开通时间宽度是110ms，遮断时间宽度是90ms。在441.6nm波长He-Gd激光辐照开通期间，由于复合波导的非饱和光阻断效应，B光的传输功率下降，A光和B光的光功率差异缩小，A光和B光经分支波导模式耦合后，输出功率进一步下降。在441.6nm波长He-Gd激光辐照遮断期间，B光的传输功率逐步回复，A光和B光的光功率差异逐渐增大，分支波导模式耦合效率提高，输出功率回升。伴随441.6nm波长He-Cd激光辐照脉冲作用下的非饱和光阻断效应，复合波导中的极化子自陷态电子的浓度在泄漏背景下逐步累积，显示了自陷电子浓度具备脉冲式累积的特点，结果使得图14（a）的锯齿型曲线显示递减趋势。一旦B光的传输功率降至与A光的接近时，输出端几乎是发散的辐射模，图14（a）的锯齿型曲线显现平坦趋势。图14（b）显示了耦合脉冲的同步发放，用于阈值判别的时延是15 ms，阈值线调节在略高于图14（a）显示的光功率暗线，分支波导输出的632.8nm波长的功率的谷值一旦低于阈值线，电路触发开关停止工作，耦合脉冲不再响应441.6nm波长He-Gd激光辐照脉冲的举动，同步发放停止。显然，耦合脉冲同步发放的持续时间与A光光功率的相对大小成反比，A光在这里发挥了调节阈值的作用。

上述实验结果表明，本发明的光波导脉冲耦合器用全光学方式实现了泄漏背景下的、对输入作用电脉冲的脉冲式响应累积，以及阈值限制下的、对输出耦合电脉冲同步发放的控制，实现了脉冲耦合动力学过程的基本功能。

本发明的光波导脉冲耦合器，采用As₂S₈-B270玻璃复合波导的非饱和光阻断效应实现对输入作用电脉冲信号的耦合响应，利用光学反相非对称输入的波导分支模式耦合效应提供阈值限制。通过将非饱和光阻断效应表现的光学粒子性和分支波导模式耦合表现的光学波动性在光波导载体上的有机结合，用全光学方式实现了输入作用电脉冲与输出同步电脉冲之间的脉冲耦合动力学过程。

Claims (2)

1.一种光波导脉冲耦合器，其特征在于，包括光波导脉冲耦合器核心光路（1）、一个非对称光纤功分器（2）和一根单模光纤（3），非对称光纤功分器（2）由632.8nm波长单模光纤构成，632.8nm波长的输入光波经非对称光纤功分器（2）后，按输入光波的设定光功率比例分为两支非等分相干光波，非对称光纤功分器（2）的两根输出光纤的光轴与光波导脉冲耦合器核心光路（1）的两根输入光波导的光轴两两对准后，用紫外固化粘结剂对接固定，光波导脉冲耦合器核心光路（1）的输出光波导的光轴与单模光纤（3）光轴对准对接后，用紫外固化粘结剂对接固定，单模光纤（3）的输出端为光波导脉冲耦合器的输出端；

所述光波导脉冲耦合器核心光路（1）由一个倒置的Y分支波导（4）以及在倒置的Y分支波导（4）的两分支位置上对称制备的两支复合波导（5）构成，所述倒置的Y分支波导（4）制备在一块玻璃基板的上表层，所述Y分支波导（4）由两支长度为5mm的输入直波导（4-1）、两支截止直波导（4-2）、两支传递直波导（4-3）、两支弯曲波导（4-4）、一个楔形过渡波导（4-5）和一支输出直波导（4-6）按Y字形依次对称贯通构成，所述玻璃基板是B270玻璃；

所述倒置的Y分支波导（4）用常规二次离子交换技术制备在B270玻璃基板上表层，所述两支输入直波导（4-1）、两支截止直波导（4-2）、两支传递直波导（4-3）、两支弯曲波导（4-4）和一支输出直波导（4-6）的宽度均为5                                               m，所述两支输入直波导（4-1）的轴线间距是127m，所述楔形过渡波导（4-5）与所述两支弯曲波导（4-4）连接的宽端的宽度是10m，所述楔形过渡波导（4-5）与所述输出直波导（4-6）连接的窄端的宽度是5m，所述两支截止直波导（4-2）的长度L₃=3mm，所述两支截止直波导（4-2）对632.8nm波长截止，所述两支输入直波导（4-1）、两支传递直波导（4-3）、两支弯曲波导（4-4）和一支输出直波导（4-6）均对632.8nm波长构成单模波导；

所述两支复合波导（5）由所述两支截止直波导（4-2）和对称制备在两支截止直波导（4-2）上的开窗的金属Al膜（5-1）以及制备在所述开窗的金属Al膜（5-1）上的As₂S₈薄膜（5-2）构成，所述开窗的金属Al膜（5-1）沿波导轴方向的长度是4.5mm、厚度是1.9m、宽度与B270玻璃基板的宽度相同，所述开窗的金属Al膜（5-1）的两个开窗位置在所述两支截止直波导（4-2）的正上方、在开窗位置露出所述截止直波导（4-2）的上表面，所述开窗的金属Al膜（5-1）的两个开窗的宽度均为5m、两个开窗长度均为4.5mm，所述制备在开窗的金属Al膜（5-1）上的As₂S₈薄膜（5-2）的厚度是1.7m、沿波导轴方向的长度是4.16 mm，所述As₂S₈薄膜（5-2）在所述金属Al膜（5-1）的两个开窗区域与所述两支截止直波导（4-2）的上表面直接接触。

2.根据权利要求1所述的光波导脉冲耦合器，其特征在于，所述光波导脉冲耦合器核心光路（1）的制造步骤为：

1）在洁净干燥的B270玻璃基板上，采用常规真空镀膜技术制备厚度为1.9m的金属Al膜；

2）采用常规光刻技术在所述金属Al膜上开窗，开窗图形除了涉及所述两支截止直波导（4-2）的、长度为L₃=3mm的区域保持被金属Al膜遮蔽的状态以外，所述开窗图形的其余部分的几何尺寸与所述Y分支波导（4）中除去所述两支截止直波导（4-2）以外的图形的几何尺寸完全相同，开窗区域露出B270玻璃基板的上表面，完成上述开窗的金属Al膜作为后续步骤3）实施的第一次离子交换工艺的金属掩膜；

3）对上述步骤2）完成的样品做第一次离子交换，离子源是0.08％AgNO₃-99.92％NaNO₃混合熔融盐，离子交换温度是350℃，离子交换恒温时间是40min；

4）对上述步骤3）完成的样品，采用常规光刻套刻技术开窗打通涉及所述两支

截止直波导（4-2）的、长度为L₃=3mm的区域，形成与所述Y分支波导（4）的图形的几何尺寸完全相同的金属Al膜开窗图形，该开窗的金属Al膜作为后续步骤5）实施的第二次离子交换工艺的金属掩膜；

5）对上述步骤4）完成的样品做第二次离子交换，离子源以及离子交换温度与所述第一次离子交换的相同，离子交换恒温时间是20min，至此在所述B270玻璃基板的上表层形成所述Y分支波导（4）；

6）对上述步骤5）完成的样品，采用常规光刻技术套刻去除输入和输出两侧的金属Al膜，保留对称覆盖在所述截止波导（4-2）上面的开窗的金属Al膜（5-1）；

7）在上述步骤6）完成的样品上表面，用带有锋利刀口的刀片遮蔽B270玻璃露出区域后，采用常规真空镀膜技术淀积一层厚度为1.7m、沿波导轴方向的长度为4.16 mm的所述As₂S₈薄膜（5-2），构成所述光波导脉冲耦合器核心光路（1）。