CN105720475B - 一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子晶体的全光二极管的单向光传输方法，利用两个功率可调超短脉冲激光分别对光子晶体直接耦合微腔和侧边耦合微腔进行泵浦。其中直接耦合微腔充当可变透射单元，而侧边耦合微腔充当可变反射单元。通过选择合适的脉冲泵浦功率并借助非线性Kerr效应，使两个微腔出现光学双稳态的高能量态和低能量态的多种组合，使入射的连续波信号光经两个微腔的双重调控，从而实现全光二极管的正向高透或反向高透。本发明还公开了一种基于光子晶体的全光二极管的单向光传输的装置。本发明可以通过对超短脉冲激光泵浦功率的调节来自由操控信号光通过的方向，并具有极高的正反向传输对比度及较大的工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及全光非互易光传输技术，特别涉及基于一种光子晶体的全光二极管单向光传输方法及装置。
背景技术
全光二极管是一种重要的微纳光学器件，其非互易结构使信号光在一个方向通过，而在相反的方向则通过很少或者基本不通过，简言之，就是实现光的单向传输。然而，高性能全光二极管的研制是微纳集成光子学领域的一个世界性的难题。正如传统集成电路系统运算功能需要电二极管这一基本元件一样，全光信号运算处理也离不开能使得光子满足非互易传输的单元，即所谓的全光二极管。与此同时，信息技术的迅猛发展，要求信息传递的速度更快，信息存储能力更大，信息处理能力更强。因此，在光计算、光互联和超快速信息处理等领域都具有重要的应用前景。
为实现光的非互易性传输，其关键是要打破光传输的时间反转对称性，这可借助磁光材料、非线性光学效应等方式来实现。在这些方式中，基于磁光材料的光二极管是研究得最早、最为广泛的，国内外学者已在此方面取得了丰硕的成果。但这种光二极管存在一些难以克服的困难，例如，它所使用的材料和制作工艺与标准的Si基CMOS工艺不匹配，而且需要附加强磁场，因此很难适合光子芯片集成。
相比之下，基于非线性光学效应的光二极管既不需要外加强磁场，也不需要外部电信号调控，而是通过设计具有不对称结构的微腔-波导系统，借助非线性光学效应对微腔折射率进行非对称调控，从而实现光的非互易传输。这种方式能够实现全光操控，而且适合于半导体CMOS工艺的光子芯片集成，是当前全光二极管研究的主流方式。2012年，美国科学院院士Weiner及普度大学的齐明浩教授提出了一种非对称的Si基微环谐振腔-波导结构，在入射功率为2.1毫瓦时，获得了27dB的正反向光传输对比度，但正向透射率却很低，不到-30dB，而且带宽极小，不超过0.01nm。虽然Weiner和齐明浩等人提出通过“加热”的方式对微腔谐振波长进行调节以增大带宽，但这既不利于光子芯片集成，也不利于光二极管的高速响应。
因此，如何在较低的入射光功率下，使光二极管既具有超高的正反向传输对比度，同时又具有较高的正向透射率以及较大的工作带宽，成为一个啓需解决的重要问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输方法，实现了全光二极管既具有超高的正反向传输对比度，同时又具有较高的正向(或反向)透射率以及较大的工作带宽，并且能对光的单向传输方向进行自由切换。
本发明的另一目的在于提供一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输方法，包括以下步骤：
第一步：采用两束超短脉冲激光分别对基于光子晶体的全光二极管的直接耦合微腔及侧边耦合微腔进行泵浦，对直接耦合微腔及侧边耦合微腔的能量状态进行调控，进而通过对其谐振波长进行调控，使直接耦合微腔、侧边耦合微腔处于谐振或失谐状态；
第二步：频率位于光子晶体带隙范围内的连续波信号光从前侧光子晶体波导或后侧光子晶体波导入射，在脉冲泵浦光的作用下并借助非线性Kerr效应，直接耦合微腔、侧边耦合微腔出现光学双稳态，实现全光二极管的单向光传输：
实现信号光的正向传输而反向截止：频率位于光子晶体带隙范围内的连续波信号光从前侧光子晶体波导入射，依次通过直接耦合微腔以及侧边耦合微腔，并依次与直接耦合微腔以及侧边耦合微腔发生光耦合作用；在脉冲泵浦光的作用下，直接耦合微腔处于透射谐振状态，而侧边耦合微腔处于反射失谐状态，信号光通过直接耦合微腔以及侧边耦合微腔，向后侧光子晶体波导出射；而当连续波信号光从后侧光子晶体波导入射时，将先经过侧边耦合微腔再经过直接耦合微腔，使两个腔的能量产生差异，在脉冲泵浦光的进一步作用下，使得侧边耦合微腔处于反射谐振状态，而直接耦合微腔处于低能量透射失谐状态，从而使得信号光由后侧向前传输被截止；
实现信号光的反向传输而正向截止：分别改变两束超短脉冲激光的功率，以对直接耦合微腔及侧边耦合微腔的能量及谐振状态进行调整，使得信号光正向传输时，侧边耦合微腔处于反射谐振态，从而正向光传输被截止；而信号光反向传输时，侧边耦合微腔将处于反射失谐状态，而直接耦合微腔将处于光学双稳态的透射谐振态，故信号光得以向前侧光子晶体波导出射，从而实现信号光的反向传输而正向截止。
所述直接耦合微腔和侧边耦合微腔均为单模谐振腔。
所述直接耦合微腔的谐振波长大于比侧边耦合微腔的谐振波长，差值为直接耦合微腔的腔模线宽的2倍。
所述连续波激光器的工作波长位于光子晶体带隙范围内，且大于侧边耦合微腔的谐振波长，所述连续波激光器的工作波长与侧边耦合微腔的谐振波长的差值为直接耦合微腔的腔模线宽的2.7倍。
一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输装置，包括波长调谐连续波激光器、基于光子晶体的全光二极管及两个功率可调超短脉冲激光器；
所述基于光子晶体的全光二极管，由前侧光子晶体波导、直接耦合微腔、侧边耦合微腔、传输波导、后侧光子晶体波导组成；所述前侧光子晶体波导位于直接耦合微腔的左侧，后侧光子晶体波导位于侧边耦合微腔的右侧；所述传输波导位于直接耦合微腔、侧边耦合微腔之间；
所述两个功率可调超短脉冲激光器分别用于对直接耦合微腔、侧边耦合微腔泵浦；所述波长调谐连续波激光器用于提供入射信号光。
所述光子晶体由Si材料圆形介质柱构成正方晶格，所述介质柱的直径为0.4a；所述直接耦合微腔由直径为0.2a的圆形介质柱构成；所述侧边耦合微腔由直径为0.204a圆形介质柱构成；直接耦合微腔与侧边耦合微腔的中心水平距离为7a；其中a为光子晶体的晶格常数。
所述前侧光子晶体波导、传输波导、后侧光子晶体波导均通过在光子晶体上移除1行圆形介质柱形成。
本发明的原理如下：当一定功率和波长(其波长略大于侧边耦合微腔的谐振波长)的连续波信号光入射时，利用两个功率可调超短脉冲激光分别对直接耦合微腔和侧边耦合微腔进行泵浦。其中直接耦合腔充当可变透射单元，而侧边耦合腔充当可变反射单元。由于这两个微腔都是非线性的，在合适的脉冲泵浦功率下，借助非线性Kerr效应可使得这两个微腔出现光学双稳态，即高能量态和低能量态。当直接耦合微腔处于高能量状态时，微腔的谐振波长将产生红移，如果红移后的谐振波长与入射信号光波长恰好相等，则信号光将以较高的透射率通过直接耦合腔；反之，当直接耦合微腔处于低能量状态时，则信号光由于失谐量较大而难以通过直接耦合腔。类似的，当侧边耦合微腔处于高能量状态时，如果微腔谐振波长红移后与入射信号光波长恰好相等，则信号光将以很高的反射率被侧边耦合腔反射回去(此时侧边耦合腔相当于一个高效的反射镜)，从而透射被截止；反之，当侧边耦合微腔处于低能量状态时，则信号光由于失谐量较大而被反射极小，从而以较高的透射率通过侧边耦合微腔。这样，通过选择合适的脉冲泵浦功率，可使两个微腔出现高能量态和低能量态的多种组合，从而实现全光二极管的正向高透或反向高透。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的全光二极管利用直接耦合腔和侧边耦合腔的光学双稳效应，其双稳区间带宽较大，从而可以获得比现有非线性全光二极管更大的工作带宽。
(2)本发明的全光二极管的直接耦合微腔和侧边耦合微腔的谐振波长可以通过对微腔的形状、尺寸的精细设计来自由操控，从而使得光二极管对信号光波长具有更好的适用性。
(3)本发明的全光二极管采用微纳光子晶体结构，简约紧凑，可使用硅等半导体材料制作，易于与其他光子器件集成。
(4)本发明的全光二极管实现单向光传输的方法，通过对超短脉冲激光泵浦功率的调节来自由操控信号光通过的方向，既可使其正向高透，又可使其切换至反向高透，因而比现有的全光二极管具有更高的灵活性和自由度，在未来全光微系统设计中(例如光子计算机，光子芯片等)将有重要的应用价值。
(5)本发明的全光二极管实现单向光传输的方法通过选择合适的脉冲泵浦功率，使直接耦合腔和侧边耦合腔处于光学双稳态，从而可以获得比其他光二极管更高的对比度以及正向(或反向)透射率。
附图说明
图1为本发明的实施例的实现光传输正向高透而反向低透的基于光子晶体的全光二极管单向光传输装置的组成示意图。
图2为本发明的实施例的实现光传输正向高透而反向低透的基于光子晶体的全光二极管的示意图。
图3为本发明的实施例的实现光传输反向高透而正向低透的基于光子晶体的全光二极管单向光传输装置的组成示意图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例的基于光子晶体的全光二极管的单向光传输装置包括功率可调超短脉冲激光器(Pulsed LD)1、功率可调超短脉冲激光器(Pulsed LD)2、波长可调谐连续波激光器(CW LD)3、基于光子晶体的全光二极管4，波长可调谐连续波激光器3与基于光子晶体的全光二极管的前侧光子晶体波导13之间依次设有50×显微物镜5、50×显微物镜6；功率可调超短脉冲激光器1与基于光子晶体的全光二极管的直接耦合微腔14之间沿光路方向依次设有50×显微物镜7、反射镜8、50×显微物镜9；功率可调超短脉冲激光器2与基于光子晶体的全光二极管的侧边耦合微腔15之间沿光路方向依次设有50×显微物镜10、反射镜11、50×显微物镜12。波长可调谐连续波激光器3的工作波长为λ＝(1550±1)nm，超短脉冲激光器1～2的中心波长为λ＝(1550±2)nm，脉宽为200fs，重复频率为350MHz。
如图2所示，本实施例的基于光子晶体的全光二极管由16×15的Si材料圆形介质柱构成正方晶格，沿xy平面排布，每根介质柱的折射率为n0＝3.4，高度(垂直于xy平面)h＝2μm，直径d＝0.4a，其中a＝543nm为晶格常数。基于光子晶体的全光二极管由前侧光子晶体波导13、直接耦合微腔14、侧边耦合微腔15、传输波导16、后侧光子晶体波导17组成。所述前侧光子晶体波导13位于直接耦合微腔的左侧14，后侧光子晶体波导17位于侧边耦合微腔15的右侧；所述传输波导16位于直接耦合微腔14、侧边耦合微腔15之间。前侧光子晶体波导13、传输波导16、后侧光子晶体波导17均为WG1波导(由移去一行光子晶体介质柱形成)，是信号光的传输通道。所述直接耦合微腔和侧边耦合微腔均为单模谐振腔，直接耦合微腔的谐振波长大于比侧边耦合微腔的谐振波长，差值为直接耦合微腔的腔模线宽的2倍，连续波激光器的工作波长位于光子晶体带隙范围内，且大于侧边耦合微腔的谐振波长，所述连续波激光器的工作波长与侧边耦合微腔的谐振波长的差值为直接耦合微腔的腔模线宽的2.7倍。
本实施例的直接耦合微腔14为直径d＝0.2a(a为光子晶体常数)的圆形介质柱，折射率为3.4，直接耦合微腔14的谐振波长为1546nm，腔模线宽为1.4nm；侧边耦合微腔15为直径d＝0.204a(a为光子晶体常数)的圆形介质柱，折射率为3.4，谐振波长为1543nm，腔模线宽为0.64nm；直接耦合微腔14与侧边耦合微腔15的中心水平距离为l＝7a。
本实施例的基于光子晶体的全光二极管实现光传输的正向高透而反向低透的方法，包括以下步骤：
第一步：开启功率可调超短脉冲激光器1和功率可调超短脉冲激光器2，将其功率分别调至18瓦和8瓦。功率可调超短脉冲激光器1经显微物镜7准直及反射镜8的反射后，再经显微物镜9聚焦后，垂直于xy平面对直接耦合微腔14进行泵浦；与此同时，功率可调超短脉冲激光器2经显微物镜10准直及反射镜11的反射后，再经显微物镜12聚焦后，垂直于xy平面对侧边耦合微腔15进行泵浦，借助于非线性Kerr效应，直接耦合微腔14、侧边耦合微腔15的能量状态分别进行调控，使直接耦合微腔14处于高能量透射谐振态，而侧边耦合微腔15处于低能量反射失谐状态。
第二步：开启波长可调谐连续波激光器3，将其功率调至5毫瓦，并利用偏振片令波长可调谐连续波激光器3的电场偏振均沿线性光子晶体介质柱方向(即横磁模，TM偏振)。如图1所示，波长可调谐连续波激光器3发出的信号光经显微物镜5准直及显微物镜6聚焦后沿2维线性光子晶体平面(即xy面)射入前侧光子晶体波导13，依次通过直接耦合微腔14以及侧边耦合微腔15，并与它们依次发生光耦合作用。此时，在非线性Kerr效应下，直接耦合微腔14将处于光学双稳态的高能量透射谐振态(即高透)，而侧边耦合微腔15将处于低能量反射失谐状态(即低反高透)，故信号光将以较高的透射率通过直接耦合微腔14以及侧边耦合微腔15，由后侧光子晶体波导17出射。
第三步：在图1中系统的基础上，掉转信号光的方向(如图3所示)，使波长可调谐连续波激光器3发出的信号光从后侧光子晶体波导17入射(即反向入射)，先经过侧边耦合微腔15再经过直接耦合微腔14，使两个腔的能量产生差异，在脉冲泵浦光的进一步作用下，使得侧边耦合微腔15处于高能量谐振反射状态(即高反低透)，而直接耦合微腔14处于低能量透射失谐状态(即低透)，从而使得由后侧向前侧传输(即反向传输)的信号光的透射率极低。
这样便可实现正向高透(大于80％)而反向低透(小于1％)，从而获得极高的对比度(超过20dB)及较大的工作带宽(约1nm)。
实施例2
本实施例的实现光传输反向高透而正向低透全光二极管除下述特征外，其余特征均与实施例1同。
将两个功率可调超短脉冲激光器的功率分别调至20瓦和9瓦。
将波长可调谐连续波激光器发出的信号光沿2维线性光子晶体平面(即xy面)射入基于光子晶体的全光二极管的前侧线性光子晶体波导(即正向入射)，在非线性Kerr效应下，直接耦合微腔和侧边耦合微腔都将处于高能量态。但由于此时侧边耦合微腔的谐振波长红移后与入射信号光波长恰好相等，则信号光将以很高的反射率被侧边耦合微腔反射回去(此时侧边耦合微腔相当于一个高效的反射镜)，从而正向透射被截止。
而将连续波激光器发出的信号光由全光二极管系统的后侧线性光子晶体波导入射时，在非线性Kerr效应下，侧边耦合微腔将处于低能量反射失谐状态(即低反高透)，而直接耦合微腔将处于光学双稳态的高能量透射谐振态(即高透)，故信号光将以较高的透射率向前侧波导出射。
这样便可实现反向高透(约85％)而正向低透(小于1％)，从而获得极高的对比度(超过20dB)及较大的工作带宽(约1nm)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：采用两束超短脉冲激光分别对基于光子晶体的全光二极管的直接耦合微腔及侧边耦合微腔进行泵浦，对直接耦合微腔及侧边耦合微腔的能量状态进行调控，进而通过对其谐振波长进行调控，使直接耦合微腔、侧边耦合微腔处于谐振或失谐状态；
第二步：波长位于光子晶体带隙范围内且大于侧边耦合微腔的谐振波长的连续波信号光从前侧光子晶体波导或后侧光子晶体波导入射，在脉冲泵浦光的作用下并借助非线性Kerr效应，直接耦合微腔、侧边耦合微腔出现光学双稳态，实现全光二极管的单向光传输：
实现信号光的正向传输而反向截止：波长位于光子晶体带隙范围内且大于侧边耦合微腔的谐振波长的连续波信号光从前侧光子晶体波导入射，依次通过直接耦合微腔以及侧边耦合微腔，并依次与直接耦合微腔以及侧边耦合微腔发生光耦合作用；在脉冲泵浦光的作用下，直接耦合微腔处于透射谐振状态，而侧边耦合微腔处于反射失谐状态，信号光通过直接耦合微腔以及侧边耦合微腔，向后侧光子晶体波导出射；而当波长位于光子晶体带隙范围内且大于侧边耦合微腔的谐振波长的连续波信号光从后侧光子晶体波导入射时，将先经过侧边耦合微腔再经过直接耦合微腔，使两个腔的能量产生差异，在脉冲泵浦光的进一步作用下，使得侧边耦合微腔处于反射谐振状态，而直接耦合微腔处于低能量透射失谐状态，从而使得信号光由后侧向前传输被截止；
实现信号光的反向传输而正向截止：分别改变两束超短脉冲激光的功率，以对直接耦合微腔及侧边耦合微腔的能量及谐振状态进行调整，使得波长位于光子晶体带隙范围内且大于侧边耦合微腔的谐振波长的连续波信号光正向传输时，侧边耦合微腔处于反射谐振态，从而正向光传输被截止；而波长位于光子晶体带隙范围内且大于侧边耦合微腔的谐振波长的连续波信号光反向传输时，侧边耦合微腔将处于反射失谐状态，而直接耦合微腔将处于光学双稳态的透射谐振态，故信号光得以向前侧光子晶体波导出射，从而实现信号光的反向传输而正向截止。
2.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输方法，其特征在于，所述直接耦合微腔和侧边耦合微腔均为单模谐振腔。
3.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输方法，其特征在于，所述直接耦合微腔的谐振波长大于侧边耦合微腔的谐振波长，差值为直接耦合微腔的腔模线宽的2倍。
4.根据权利要求1所述的一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输方法，其特征在于，所述连续波信号光的工作波长与侧边耦合微腔的谐振波长的差值为直接耦合微腔的腔模线宽的2.7倍。
5.一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输装置，其特征在于，包括波长可调谐连续波激光器、基于光子晶体的全光二极管及两个功率可调超短脉冲激光器；
所述基于光子晶体的全光二极管，由前侧光子晶体波导、直接耦合微腔、侧边耦合微腔、传输波导、后侧光子晶体波导组成；所述前侧光子晶体波导位于直接耦合微腔的左侧，后侧光子晶体波导位于侧边耦合微腔的右侧；所述传输波导位于直接耦合微腔、侧边耦合微腔之间；
所述两个功率可调超短脉冲激光器分别用于对直接耦合微腔、侧边耦合微腔泵浦；所述波长可调谐连续波激光器用于提供波长位于光子晶体带隙范围内且大于侧边耦合微腔的谐振波长的连续波信号光。
6.根据权利要求5所述的一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输装置，其特征在于，所述光子晶体由Si材料圆形介质柱构成正方晶格，所述介质柱的直径为0.4a；所述直接耦合微腔由直径为0.2a的圆形介质柱构成；所述侧边耦合微腔由直径为0.204a圆形介质柱构成；直接耦合微腔与侧边耦合微腔的中心水平距离为7a；其中a为光子晶体的晶格常数。
7.根据权利要求5所述的一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输装置，其特征在于，所述前侧光子晶体波导、传输波导、后侧光子晶体波导均通过在光子晶体上移除1行圆形介质柱形成。
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