CN103616774B

CN103616774B - 一种全光开关控制方法

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Publication number: CN103616774B
Application number: CN201310680461.3A
Authority: CN
Inventors: 董雅宾; 郭耀华
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN103616774A

Abstract

本发明涉及光开关领域，具体为一种全光开关控制方法。解决了现有光开关技术工艺复杂、实用性不高的技术问题。一种全光开关控制方法，包括以下步骤：（a）将两束控制光入射至一个四能级光学介质中，且两束控制光在四能级光学介质中发生交叉，再将一束信号光入射至该四能级光学介质中并穿过两束控制光的交叉区域；（b）将一束耦合光入射至四能级光学介质中且穿过信号光与两束控制光交叉的区域；（c）通过改变控制光的有无，就可以实现零级衍射光的强弱变化。本发明的光开关系统所用的控制光和耦合光可以非常微弱，甚至是量子水平的光，极大的减小了能耗，甚至可以作为量子全光开光器件来使用。

Description

一种全光开关控制方法

技术领域

本发明涉及光开关领域，具体为一种全光开关控制方法。

背景技术

在传统的光——电——光骨干网络节点中，尤其是枢纽节点，典型的情况是约有70-80%的业务量是直通的，为了少量的业务不得不全部进行光电变换处理，将光信号转变为电信号，进行交换与选路，然后再将其变换为光信号，送到适当的光路中。这种电的处理技术大大限制了波分复用（WDM)技术的优越性，使网络节点乃至网络的吞吐量变小，形成“电子瓶颈”。考虑到这种现行网络的运行情况，为进一步克服“电子瓶颈”现象，全光网络浮出了水面。全光网(AON)是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。在全光网络中，不需要电信号的处理，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，信号的传输具有透明性。

在全光网络各种设备器件当中，光交叉连接设备(OXC)和光分插复用设备(OADM)可以说是全光联网的核心器件技术。研制全光的交叉连接OXC和分插复用OADM设备，成为建设大容量通信干线网络十分迫切的任务。而光开关和光开关阵列恰恰是OXC和OADM的核心技术。因此，光开关是全光网络系统中的一种重要的基本光器件，也是当前阻碍全光网发展的关键技术之一。

新型光开关主要分为电控光开关和光控光开关两类。电控光开关有微电子机械系统（MEMS)光开关、液晶光开关、声光光开关、热光开关、喷墨气泡光开关等等，以及由以上电控光开关构成的开关系统都是电开关矩阵，这意味着输入的控制光信号要先变换成相应的电信号，才能对开关进行控制，不便于全光网使用。最具发展潜力的还是光控光开关，使用光控光开关是全光网的发展方向。

现在主要的光控光开关技术有非线性波导定向耦合器和非线性光纤环路镜(NOLM)。非线性波导定向耦合光开关是由多个定向波导耦合器级联而成。这种级联的耦合器能实现包括与门、或门、非门、异或等许多复杂的逻辑操作功能，非线性耦合器的输出功率取决于耦合长度，初始相位差和输入功率。实际上由于产生非线性耦合需要的光功率极大，目前还不可能走向实用。

NOLM是根据光纤的萨格纳克（Sagnac）干涉原理制成，光纤环路作为克尔介质，非线性作用(交叉相位调制）就在其中完成。如不加控制光，输出端就没有输出，就像全反镜一样。如果通过波分复用耦合器顺时针方向引入控制光脉冲到光纤环路中，由于交叉相位调制，与控制光同方向传输并在时域上相互重叠的那部分脉冲信号光将经历更大的非线性相移。这样导致两个方向上脉冲信号光产生相位差，从而使非线性光纤环路镜输出端有输出，实现了开关操作。根据控制光与信号光波长与偏振方向的关系，一般将非线性光纤环路镜分为两类：一是波长不同，偏振方向相同；二是波长相同，偏振方向正交。前者结构简单，开关速度快，开关能量低，但级联不方便，不利于集成化。后者级联相对比较方便，利于集成，但偏振控制复杂，控制光对相移的贡献小。研究中的全光开关还有双波长马赫-曾德干涉（Mach-Zehnder)型光开关等，但它们的工艺都比较复杂，且离实用化有很大距离。

发明内容

本发明为解决现有光开关技术工艺复杂、实用性不高的技术问题，提供一种全光开关控制方法。

一种全光开关控制方法，包括以下步骤：（a）将两束控制光入射至一个四能级光学介质中，且两束控制光在四能级光学介质中发生交叉，交叉区域形成驻波光场；再将一束信号光入射至该四能级光学介质中并穿过两束控制光的交叉区域；所述信号光与控制光的光路非平行；（b）将一束耦合光入射至四能级光学介质中且穿过信号光与两束控制光交叉的区域；所述四能级光学介质的能级由低到高依次为|1>、|2>、|3>、|4>；其中|1>是基态，|2>是亚稳态，|3>和|4>均为激发态；输入信号光的频率满足的共振跃迁频率；控制光的频率与的共振跃迁频率存在频率失谐Δ；耦合光频率满足的共振跃迁频率；当耦合光和控制光作用到介质上时,四能级光学介质中耦合光和控制光交叉的区域成为一个体光栅；当信号光通过这一区域时，就会发生衍射；（c）通过改变控制光的有无，就可以实现零级衍射光的强弱变化；当没有控制光输入时，信号光经四能级光学介质出射后，强度不变；当有控制光入射时，信号光发生衍射，衍射光的中心即零级衍射光强度小于没有控制光时信号光的光强；这就实现了通过控制光的有无来控制信号光的强弱。

四能级光学介质、一束耦合光以及两束控制光构成了一个全光开关控制系统。输入信号光沿某一方向入射到四能级光学介质，光学介质的能级由低到高依次为|1>、|2>、|3>、|4>；|1>是基态，|2>是亚稳态，|3>和|4>为激发态，信号光的频率满足的共振跃迁频率；两控制光在四能级光学介质中交叉，在交叉区域形成驻波；信号光与控制光的光路不平行，保证了控制光的方向与信号光的方向有一定夹角，且在介质中与信号光有重叠区域；控制光频率与的共振跃迁频率有一定的频率失谐Δ是指控制光频率小于等于的共振跃迁频率，实际使用中为了增强衍射效果，Δ一般不为零，即控制光频率通常小于的共振跃迁频率；耦合光只要与信号光和控制光有重叠区域即可，且其频率满足的共振跃迁频率。当耦合光和控制光作用到介质上时,四能级光学介质的极化率表达式为:

其中K₁,K₂为与光学介质相关的常数，γ₃，γ₄为|3>和|4>态上的衰减率；I_控、I_耦分别为控制光和耦合光的光强；而介质的极化率与介质的折射率有关当介质不是铁磁体时，介质的折射率为：（可以参考赵凯华、陈熙谋的《电磁学》（第二版）北京：高等教育出版社（2006）415页及王楚、李椿、周乐柱的《电磁学》北京：北京大学出版社（2000）166页和212页）。

控制光形成驻波光场，即控制光的光强I_控在其传播空间上是周期性分布，这就会使介质的极化率χ_e在两束控制光交叉区域的传播空间上产生一个周期性的分布，进而使介质的折射率n也在两束控制光交叉区域的传播空间上产生周期性分布，使四能级光学介质的这一区域成为一个体光栅。（可参考蓝信钜等编的《激光技术》（第二版）北京：科学出版社（2005）34-35页，超声波在光学介质中传播从而使介质的折射率n产生周期性分布，从而使介质成为一个体光栅），当信号光通过与控制光有重叠的区域时，就会发生衍射（此即电磁感应光栅效应）。

在耦合光存在的情况下，当不加控制光场时，由于电磁感应透明效应的存在（可参考王文正、柯善哲、刘全慧编的《量子力学朝花夕拾——教与学篇》北京：科学出版社（2004）91-98页），信号光将全部出射；当加上控制光时，由于电磁感应光栅效应起作用，信号光将从正、负一级衍射方向出射，零级方向上的信号光将减弱。即可以通过控制光的有无来控制信号光的强弱；这样就可以通过信号光来控制其它部件的开关。所述的通过信号光的强弱来控制其它部件开关的方法以及设备均为本领域技术人员所公知的，是易于实现的。其中K₁,K₂为常数，与光学介质本身属性有关。γ₃，γ₄为|3>和|4>态上的衰减率，K₁,K₂和γ₃，γ₄都是本领域技术人员所公知的参数，与所选择的四能级光学介质有关；所述四能级光学介质可以有多种选择，是本领域技术人员的公知常识。

一种全光开关控制方法，包括以下步骤：（a）将两束控制光入射至一个四能级光学介质中，且两束控制光在四能级光学介质中发生交叉，交叉区域形成驻波光场；再将一束信号光入射至该四能级光学介质中并穿过两束控制光的交叉区域；所述信号光与控制光的光路非平行；（b）将一束耦合光入射至四能级光学介质中且穿过信号光与两束控制光交叉的区域；所述四能级光学介质的能级由低到高依次为|1>、|2>、|3>、|4>；其中|1>是基态，|2>是亚稳态，|3>和|4>均为激发态；输入信号光的频率满足的共振跃迁频率；控制光的频率与的共振跃迁频率存在频率失谐Δ；耦合光频率满足的共振跃迁频率；当耦合光和控制光作用到介质上时,四能级光学介质中耦合光和控制光交叉的区域成为一个体光栅；当信号光通过这一区域时，就会发生衍射；（c）通过改变控制光的频率失谐Δ，或者改变控制光与耦合光的光强比I_控/I_耦，就可以实时地改变介质的折射率n的周期性分布情况，从而实时地控制信号光经四能级介质出射后的衍射光的零级或一级或负一级的强度大小，即实现了通过控制光与耦合光的光强比或者控制光与的共振跃迁频率之间的频率失谐Δ来控制信号光的强弱。

由四能级光学介质的极化率表达式可以得知，通过调控Δ或者I_控/I_耦可以实时改变体光栅的折射率，进而实时改变信号光从零级和正、负一级衍射方向出射的光强大小，零级光强可在入射光强的21%-100%范围内连续变化，正、负一级光强可在入射光强的0-30%左右连续变化。

因此可以通过实时地改变控制光的频率失谐Δ或者控制光与耦合光的光强比I_控/I_耦，就可以使正（或负）一级出射的信号光的光强产生任意变化，或者使零级出射的信号光的光强产生任意变化（或强光弱光的交替变化），就实现了快速响应的光开关系统。本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的频率失谐Δ或者控制光与耦合光的光强比I_控/I_耦的数值，进而得到需要的正（或负）一级以及零级衍射光的光强变化范围，进而控制其它部件的开关。

进一步的，所述控制光和耦合光的强度为量子水平的光信号。

由于这里只要求控制光与耦合光的光强比I_控/I_耦满足所需条件就可以了，而控制光与耦合光本身的光强是可以任意大小的，故可以将它们都变成微弱光信号，甚至是量子水平的光信号，只要保证I_控/I_耦满足条件即可。因此，本发明还可以作为由单光子控制的量子全光开关器件来使用。

和现有技术相比，本发明具有多方面的优越性。本发明通过利用四能级光学介质中的电磁感应光栅效应，实现了一种弱光控制的全光开关系统，该光开关系统是由光来控制，所以开关切换时间极短，极大的提升了光交叉连接中的光开关系统的性能。本发明的光开关系统所用的控制光和耦合光可以非常微弱，甚至是量子水平的光，极大的减小了能耗，甚至可以作为量子全光开光器件来使用。并且本发明的光开关系统还具有信噪比高、开关控制与偏振无关和使用的器件少等优点。

附图说明

图1为本发明中四能级光学介质的能级结构图。

图2为本发明所述全光开关控制系统结构图。

图3本发明所述全光开关控制系统控制光与信号光垂直时的结构图。

具体实施方式

所述两束控制光是相对入射的。相对入射是指两束控制光方向相对且位于同一直线上。

所述信号光光路与两束控制光光路相垂直。

所述四能级介质采用内部充有铷的玻璃泡。

所述控制光和耦合光的强度为量子水平的光信号。

所述两束控制光是相对入射的。

所述信号光光路与两束控制光光路相垂直，如图3所示。控制光相对入射，形成驻波场的区域更大，而信号光垂直于控制光入射，衍射效应更强，且衍射光的零级光方向与信号光的入射方向在同一直线，更有利于光控元件的布控。

所述四能级介质采用内部充有铷的玻璃泡。

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图对实施方式作进一步描述。

图1为本发明中四能级光学介质的能级结构示意图。其能级由低到高依次为|1>、|2>、|3>、|4>，|1>是基态，|2>是亚稳态，|3>和|4>为激发态；|1>、|2>态上的衰减率可以忽略不计，γ₃，γ₄为|3>和|4>态上的衰减率。例如选取铷（⁸⁷Rb）原子的能级|5S_1/2F＝1>作为|1>态，|5S_1/2F＝2>作为|2>态，|5P_3/2F＝1>作为|3>态，|5P_3/2F＝2>作为|4>态，一束行波信号光的频率满足的共振跃迁频率，一束行波耦合光频率满足的共振跃迁频率，驻波控制光的频率与的共振跃迁频率有一定的频率失谐Δ。

图2为本发明一种弱光控制的全光开关系统结构示意图。主要包括一个四能级光学介质（例如可以选取一个充满铷原子气体的小玻璃泡），一束驻波控制光场（可以由一束行波光场分成两束后交叉入射或对射形成），以及一束耦合光场。当一束行波输入信号光（频率满足的共振跃迁频率）沿某方向入射到四能级光学介质，而一束行波耦合光（频率满足的共振跃迁频率）以任意方向入射到四能级光学介质（耦合光与信号光有重叠区域）时，如果此时没有控制光入射，电磁感应透明效应就会起作用，这时信号光将全部从零级方向出射；如果此时有一束驻波控制光（频率与的共振跃迁频率有一定的频率失谐Δ）以某一个角度入射到四能级光学介质（控制光、耦合光和信号光有共同的重叠区域），介质的极化率就会发生变化:χ_e＝iK₁K₂(I_控/I_耦)/[γ₄+γ₃(I_控/I_耦)+i2Δ]，其中K₁,K₂为常数，而介质的折射率为：故介质的折射率将随控制光的频率失谐Δ或随控制光与耦合光的光强比（I_控/I_耦）的改变而改变。由于控制光是驻波场，即控制光的光强I_控在传播空间上是周期性分布，这就会使介质的折射率n在控制光的传播空间上产生周期性分布，从而使介质成为一个体光栅，当信号光通过介质中的重叠区域时，就会发生衍射（此即电磁感应光栅效应）。信号光将从正、负一级衍射方向出射，零级方向上的信号光将减弱。并且通过调控Δ或者I_控/I_耦可以实时改变信号光从零级和正、负一级衍射方向出射的光强大小，零级光强可在入射光强的21%-100%连续变化，正、负一级光强可在入射光强的0-30%左右连续变化。

因此可以通过实时地改变控制光的频率失谐Δ或者控制光与耦合光的光强比I_控/I_耦，就可以使正（或负）一级出射的信号光的光强产生任意变化（或有光没光的交替变化），或者使零级出射的信号光的光强产生任意变化（或强光弱光的交替变化），就实现了快速响应的光开关系统。由于这里只要求控制光与耦合光的光强比I_控/I_耦满足所需条件就可以了，而控制光与耦合光本身的光强是可以任意大小的，故可以将它们都变成微弱光信号，甚至是量子水平的光信号，只要保证I_控/I_耦满足条件即可。因此，该发明还可以作为由单光子控制的量子全光开关器件来使用。

Claims

1.一种全光开关控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)将两束控制光相对入射至一个四能级光学介质中，且两束控制光在四能级光学介质中发生交叉，交叉区域形成驻波光场；再将一束信号光入射至该四能级光学介质中并穿过两束控制光的交叉区域；所述信号光与控制光的光路非平行；(b)将一束耦合光入射至四能级光学介质中且穿过信号光与两束控制光交叉的区域；所述四能级光学介质的能级由低到高依次为|1>、|2>、|3>、|4>；其中|1>是基态，|2>是亚稳态，|3>和|4>均为激发态；输入信号光的频率满足的共振跃迁频率；控制光的频率与的共振跃迁频率存在频率失谐Δ；耦合光频率满足的共振跃迁频率；当耦合光和控制光作用到介质上时,四能级光学介质中耦合光和控制光交叉的区域成为一个体光栅；当信号光通过这一区域时，就会发生衍射；(c)通过改变控制光的有无，就可以实现零级衍射光的强弱变化；当没有控制光输入时，信号光经四能级光学介质出射后，强度不变；当有控制光入射时，信号光发生衍射，衍射光的中心即零级衍射光强度小于没有控制光时信号光的光强；这就实现了通过控制光的有无来控制信号光的强弱。

2.如权利要求1所述的一种全光开关控制方法，其特征在于，所述信号光光路与两束控制光光路相垂直。

3.如权利要求1或2所述的一种全光开关控制方法，其特征在于，所述四能级介质采用内部充有铷的玻璃泡。

4.一种全光开关控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)将两束控制光相对入射至一个四能级光学介质中，且两束控制光在四能级光学介质中相对入射并发生交叉，交叉区域形成驻波光场；再将一束信号光入射至该四能级光学介质中并穿过两束控制光的交叉区域；所述信号光与控制光的光路非平行；(b)将一束耦合光入射至四能级光学介质中且穿过信号光与两束控制光交叉的区域；所述四能级光学介质的能级由低到高依次为|1>、|2>、|3>、|4>；其中|1>是基态，|2>是亚稳态，|3>和|4>均为激发态；输入信号光的频率满足的共振跃迁频率；控制光的频率与的共振跃迁频率存在频率失谐Δ；耦合光频率满足的共振跃迁频率；当耦合光和控制光作用到介质上时,四能级光学介质中耦合光和控制光交叉的区域成为一个体光栅；当信号光通过这一区域时，就会发生衍射；(c)通过改变控制光的频率失谐Δ，或者改变控制光与耦合光的光强比I_控/I_耦，就可以实时地改变介质的折射率n的周期性分布情况，从而实时地控制信号光经四能级介质出射后的衍射光的零级或一级或负一级的强度大小，即实现了通过控制光与耦合光的光强比或者控制光与的共振跃迁频率之间的频率失谐Δ来控制信号光的强弱。

5.如权利要求4所述的一种全光开关控制方法，所述控制光和耦合光的强度为量子水平的光信号。

6.如权利要求4或5所述的一种全光开关控制方法，其特征在于，所述信号光光路与两束控制光光路相垂直。

7.如权利要求4或5所述的一种全光开关控制方法，其特征在于，所述四能级介质采用内部充有铷的玻璃泡。