CN107797358A - 一种基于波导阵列的孤子全光二极管及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波导阵列的孤子全光二极管及其实现方法，包括封装外壳和设置在封装外壳内的用于调控光路的人工规范场和嵌入在人工规范场中用于诱发孤子的非线性波导阵列，人工规范场包括磁场和具有磁场效应的其他效应场；其实现方法为：将波导阵列嵌入在人工规范场中，采用人工规范场对进入波导阵列的信号光附加一个与光路方向相关的相位，实现光路的单向传输；再利用波导阵列的非线性和周期性诱发进入波导阵列中的单向传输的信号光成为离散孤子，保持其在波导阵列中单向传播时的光场形状保持不变。提供了高保真度、高自由度和高可调特性的全光二极管，实现了高质量光信息处理和光通信，适用于对光信号质量要求高的光通信产品和光信息处理器。

Description

一种基于波导阵列的孤子全光二极管及其实现方法

技术领域

本发明涉及全光非互易光传输技术领域，特别涉及一种基于波导阵列的孤子全光二极管及其实现方法。

背景技术

相较以电作为信息载体的信号传输和数据处理，光作为信息载体可以提供更大的通信宽带和高速的信息处理能力，光通信正在成为通信领域研究的主流方向。类比于电子通信中作为重要器件的电子二极管，在光通信中，全光二极管是构成全光信号处理的基本器件之一。全光二极管可以克服光的可逆性，在光学系统中实现光的非互易性传输，即实现光在光路中的单向传输。

为了实现光的非互易性传输，并获得一个高集成度和高透过率比，国内外的研究人员提出了许多方案，包括法拉第效应、声光效应、第二谐波产生、Fano效应等，其中最提倡的是基于磁光晶体的法拉第效应光学隔离器。但是大多数方案均忽视了可见光的光场在光信息处理和传输中扮演着关键的角色，光场的畸变及不稳定性都会对信息处理和传输造成影响。

光孤子，又称为孤子，是一种特殊形式的超短脉冲，其在传播过程中保持形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波，其可作为优良的信息介质和通信介质。最近，如文献1[M.Hafezi,E.A.Demler,M.D.Lukin and J.M.Taylor,Robust optical delay lines withtopological protection,Nature Phys.7(2011)907.]和文献2[L.Lu,J.D.Joannopoulosand M.Topological hotonics,Nature Photonics 8(2014)82.]所示，基于人工规范场耦合的方法来实现线性模式下的离散孤子单向传输获得了成功，但是其二极管特性是固化在材料上的，不便于根据实际情况实际使用进行调节，而具有更大调控特性的非线性离散光孤子却没有得到研究，因此如何实现非线性模式下的离散孤子单向传输是一个值得研究的课题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够具有更高自由度和可调控特性的基于波导阵列的孤子全光二极管。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

一种基于波导阵列的孤子全光二极管，包括封装外壳和设置在封装外壳内的用于调控光路的人工规范场和嵌入在人工规范场中用于诱发孤子的非线性波导阵列，所述人工规范场包括磁场和具有磁场效应的其他效应场。通过可控的人工规范场调控全光二极管的特性，通过非线性波导阵列诱发孤子保持光场信息的完整，二者通过耦合模理论融洽的结合起来，得到了具有高度调控特性和保真特性的全光二极管。

进一步，所述波导阵列为一维非线性波导阵列，所述一维非线性波导阵列的材料为砷化镓。一维波导阵列参数少、研究数据多，便于计算，同时砷化镓由于其成熟性，很适合用于实现本发明，从而降低生产成本。

进一步，所述磁场是由环绕在波导阵列上的通电导线提供的方向和大小可控的磁场，所述磁场的方向与波导阵列的排列方向相正交。磁场的实现及其方向的排布都可以使得操作简单，计算方便。

进一步，所述封装外壳为具有磁屏蔽性质的材料制成，所述封装外壳的材料包括硅钢片和软铁。使用常用的材料增加一个磁屏蔽的设置，不需要花费太多成本就增加了本发明的抗干扰能力，提高了本发明的可靠性。

进一步，一种基于波导阵列的孤子全光二极管的实现方法，包括以下步骤，

S1：将波导阵列嵌入在人工规范场中，采用人工规范场对进入波导阵列的信号光附加一个与光路方向相关的相位，附加相位会对光信号初始相位产生调控，导致相反方向光路的光信号在波导阵列中具有不同初动量，从而产生非互易性，实现光路的单向传输；

S2：利用波导阵列的非线性诱发进入波导阵列中的单向传输的信号光成为离散孤子，保持其在波导阵列中单向传播时的光场形状保持不变。

进一步，一种基于波导阵列的孤子全光二极管的实现方法，还包括以下步骤，

S3：通过对人工规范场方向的调控，实现对全光二极管导通方向的控制；

进一步，一种基于波导阵列的孤子全光二极管的实现方法，还包括以下步骤，

S4：通过对人工规范场的大小、光信号的功率和波导阵列间隔的调控，实现对光信号反向击穿阈值的控制。

进一步，一种基于波导阵列的孤子全光二极管的实现方法，品质因数为正向透射光能量和反方向透射光能量之比，还包括以下步骤，

S5：通过调节人工规范场给光信号附加的相位使其等于光信号的初始相位时，全光二极管获得最高的品质因数。

进一步，所述步骤S1是由公式和公式推导而来。

本发明的有益效果是：本发明采用的一种波导阵列的孤子全光二极管，提供了高保真度、高自由度和高可调特性的全光二极管，为实现高质量光信息处理和光通信提供了基础，该发明适用于对光信号质量要求高的光通信产品和光信息处理器。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一种基于波导阵列的孤子全光二极管在加上工规范场时的模拟示意图；

图2是本发明一种基于波导阵列的孤子全光二极管在未加上工规范场时的模拟示意图；

图3是使用Matlab模拟本发明的全光二极管在正向导通时的模拟实验图；

图4是使用Matlab模拟本发明的全光二极管在反向截止时的模拟实验图；

图5是使用Matlab模拟本发明的全光二极管在反向击穿时的模拟实验图；

图6是本发明所用一维波导阵列的结构示意图；

图7是对于光束不同的初始值功率P和波导阵列间隔ω时，η_c与φ的关系图；

图8是b和P之间的依赖关系图；

图9是b和ω之间的依赖关系图；

图10是品质因数Q和η的关系图；

图中，1、空间光调制器，2、分束镜，3、探测器，4、波导阵列。

具体实施方式

参照图1-图10，本发明的一种基于波导阵列的孤子全光二极管。

一种基于波导阵列的孤子全光二极管，包括封装外壳和设置在封装外壳内的用于调控光路的人工规范场和嵌入在人工规范场中用于诱发孤子的非线性波导阵列，所述人工规范场包括磁场和具有磁场效应的其他效应场。引入人工规范场来控制光路的单向导通，克服了当前全光二极管性质固化于材料的缺点，实现了可调节式的全光二极管；同时通过非线性的波导阵列诱发光信号成为孤子，使其在全光二极管中保持光场不变，实现了高保真的光信号传输。

进一步，所述波导阵列为一维非线性波导阵列。一维的波导阵列相较于多维波导阵列更容易制备，从而可以提供一个工艺成熟稳定，并且低成本的二极管材料，同时由于一维波导阵列的维度少，使得更易于计算光路在其中的性质，获得精准的控制参数，对光路实现高精度的控制。

进一步，所述一维非线性波导阵列的材料为砷化镓。砷化镓作为成熟的非线性波导阵列材料，其各项物理特性均得到大量实验研究并获得了可靠的数据支持，因此使用砷化镓不仅节约了验证新材料的时间和成本，更重要的是可以获得大量实际可靠的参数，保证二极管的计算理论值的可靠性。

进一步，需要建立一个人工可控的磁场，优选地，由环绕在波导阵列上的通电导线提供的方向和大小可控的磁场。通过导电线圈的方式提供可控磁场，可以节省成本，使得二极管的导通特性易于控制。

进一步，所述磁场的方向与波导阵列的排列方向相正交。由于光信号是沿着波导轴向入射的，而波导阵列是沿着波导的径向排列的，所以入射光的方向与磁场的方向平行，这样的设置使得计算磁场给入射光的附加相位更容易计算，不需要进行投影计算，降低了计算的难度，保证了控制的精度。

进一步，所述封装外壳为具有磁屏蔽性质的材料制成。由于本发明的全光二极管对磁场具有敏感性，因此通过使用磁屏蔽材料对每个二极管进行磁隔离，避免了光学系统中各个二极管之间的磁干扰，也避免了外界磁场对光学系统的影响。

进一步，所述封装外壳的材料包括硅钢片和软铁。硅钢片和软铁均为价格低廉的工业产品，而且具有良好的磁屏蔽性质，可以作为本发明的二极管的外壳材料。

对于上述实施例，一种基于波导阵列的孤子全光二极管的实现方法，包括以下步骤，

首先，将波导阵列嵌入在人工规范场中，采用人工规范场对进入波导阵列4的信号光附加一个与光路方向相关的相位，附加相位会对光信号初始相位产生调控，导致相反方向光路的光信号在波导阵列4中具有不同初动量，从而产生非互易性，实现光路的单向传输。

由于本发明是通过人工规范场控制波导阵列4中的光路导通来实现全光二极管的，所以可以采用耦合模理论来分析该全光二极管的特性，我们使用高斯光束为信号光，将高斯光束设为

再将其带入离散非线性薛定谔方程

从而推导出步骤1。

紧接着，利用波导阵列的非线性和周期性诱发进入波导阵列4中的单向传输的信号光成为离散孤子，保持其在波导阵列4中单向传播时的光场形状保持不变。

进一步，通过对人工规范场方向的调控，实现对全光二极管导通方向的控制。人工规范场的引入可以在不改变全光二极管的物理位置情况下实现对光单向导通方向的控制，这个特性使得其适用于大规模集成光路中，既可以便于生产，也便于后期的调试。

进一步，通过对人工规范场的大小、光信号的功率和波导阵列间隔的调控，实现对光信号反向击穿阈值的控制。一般的全光二极管反向击穿阈值都是固化在材料上的，无法调整。本发明的全光二极管具有可调节反向击穿阈值的功能，就可以根据实际的适用情况来定制，减少了生产成本以及替换成本。

进一步，通过调节人工规范场给光信号附加的相位使其等于光信号的初始相位时，全光二极管获得最高的品质因数，所述品质因数为正向透射光能量和反方向透射光能量之比。因为由空间光调制器引起的向量刚好补偿有人工规范场引起的初向量，所以入射光场能量几乎没有偏离原来的光路，因此得到一个极高的品质因数。一般全光二极管的品质因数在出厂的时候就固定了，由于生产工艺的不足后者某些工序的失误很可能导致一个较低的品质因数，影响光信息处理和通信系统的精度和运转效率。本发明可以根据需要对品质因数进行调节，以便获得满意的参数，极大的方便了广大科技人员的研发。

对于以上实施例，全光二极管的使用方法以及工作原理说明如下：

利用引入的人工规范场，通常是磁场，诱导光传输具有非互易性，人工规范场可以直接由磁场构成，在波导之间形成一个磁通，利用磁光效应，或AB效应等，在波导之间的耦合的光场产生一个具有方向性的相位。另外一种构成方案是利用谐振耦合技术，也可以间接形成一个等效磁场，也可以激发具有方向性的相位。因此对人工规范场的多种实现方式，使得在全光二极管的制造和应用中都具有很高的自由度。

孤子(Soliton)又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。因此利用孤子光束输入系统中保持信息在传播中的形状和稳定。然而由于产生磁通的外场是我们可控的，这导致发明的全光二极管，它的单向导向性和反向击穿特性也是可以根据输入的人工规范场变化而变化，成为一个实时可调的全光离散孤子二极管。现有的技术中，离散孤子的全光二极管方基本特性都是固化在材料上的。因此，这个发明给空间离散孤子单向导通的器件提供了一个广泛的自由度，具有更好的操纵特性，对全光二极管的设计提供一个更好的技术。

波导阵列4由非线性材料组成，例如砷化镓(GaAs)等，是现代光学实验中相当成熟的器件，是一种比较特殊的具有周期调制光学器件，但在此所设计的非线性介质块波导中，波的离散损失不至于很显著乃至于被忽略,因为电场的分布被严格控制在光子晶体的缺陷态内。非线性无论在自聚焦或者自散焦的条件下都能形成不同的孤子。同时它的周期性和非线性的相互作用使得离散孤子具有很高的调控特性。波导阵列4具有丰富的带隙结构和衍射关系，所以能够对光在波导阵列中的传播行为进行有效的调控。

如图6所示，本发明所用一维波导阵列的结构示意图。波导阵列4由非线性材料，如砷化镓等组成，具有丰富的带隙结构和衍射关系，能够对光在波导阵列4中的传播行为进行有效调控，是现代光学实验中相当成熟具有周期调制特性的光学器件。在本实施例所采用的非线性介质块波导中，由于电场的分布被严格控制在光子晶体的缺陷态内，所以波的离散损失可以被忽略。非线性无论在自聚焦还是自散焦的条件下都能形成不同的孤子。因此利用孤子光束输入系统中保持信息在传播中的形状和稳定。同时由于波导阵列4的周期性和非线性的相互作用使得离散孤子具有很高的调控特性。

光信号应当从波导阵列的一端入射，在未加磁场时，如图1所示，从波导阵列4左下方发射的光束在非线性波导阵列中形成孤子，并在顶端的探测器3被接收，而从右上方发射的光束在非线性波导阵列中形成的孤子则被底端的探测器3接收到。

当在外加磁场的作用下，磁场会给光束附加一个具有方向性的相位，同时由于波导阵列4采用的是非线性材料，因此光信号会被诱发为孤子，实现在波导阵列中传播时保持光场不改变。由于光信号是依次在波导阵列4的各波导间耦合传播的，所以采用耦合模理论来研究光信号嵌入在人工规范场中的波导阵列4中传播性质。

在图6中，波导总数为N，人工规范场由±φ定义的均匀分布在波导阵列4中，定义向右的光路为正，向左的光路为负，位于第n层波导的光场振幅为u_n，则根据耦合模理论，u_n的演变是一个离散非线性薛定谔方程(DNSE)：

其中的C是耦合常数的强度，它依赖于光的波长和相邻波导之间光场的交叠区域。这里，我们已经假设波导阵列4具有自聚焦Kerr非线性特性。光场的总能量可以被定义如下：

P＝∑|u_n|² (2)

如果我们将u_n形式变换为如下所示：

u_n＝U_ne^iφn (3)

同时把它替代到方程(1)中，可以获得一个用于真正耦合中的标准的DNSE形式的方程：

这个变换演示了φ的函数使得u_n自动地获得了一个具有方向性的动量P_φ，这样就给系统增加了一个不可逆性。

为了构建离散孤子的不可逆传输，我们设定方程(1)的初始条件为：带有初始位移和初始相位角的高斯光束如下：

其中n₀是初始位置偏移，A和ω分别是光束的幅度和宽度，η是初始相位，在应用中它可以通过空间光调制器1增强，这个相位倾斜交作为一个诱发因素加到光波上。

参见图2，为本发明在添加人工规范场的情况下，假定在方程(1)中φ是一个正数，光信号从左向右传输。

进一步，参见图3-图5是针对图2情况时，通过执行方程(1)和(5)来实现数值拟合，拟合过程使用MATLAB采用众所周知4-步Runge–Kutta方法来进行。这里我们规定耦合常数的强度为C＝0.5,此时这个系统可以被控制的变量参数为(P,ω,η,φ)。众所周知，离散光孤子在通过离散晶体格子时的移动性是离散非线性动力学理论中的一个基本问题。通常来说，跨格子离散局部化运动模式可以用Peierls–Nabarro(PN)光栅来解释，它是两个格子之间的能量差异。当离散光孤子很窄并且被强行插入格子底部时，这些光孤子由于总能量的变大而变得不可移动。当由于总能量很少，使得离散光孤子的规模明显变大，这些离散系统可以等价于准-连续系统，同时因此这些离散光孤子可以开始移动。这可以通过Abloωitz-Ladik模型部分地解释。因此，为了是我们的系统近似地成为一个准连续系统，在仿真拟合中，我们应该采用一个低功率条件去初始化方程(5)。

拟合的结果如图3-图5所示，如果高斯光束被从波导阵列4的左下方发出，同时被诱发的孤子应用于上端，则光场可以传输到上端的探测器3。但是，如果高斯光束是从右上方发出，并且被激发的孤子被用于底端，此时与人工规范场的方向相反，则光场无法传输到底端的探测器3上。

如图3所示，高斯光束从底部发出，参数(P,ω,n₀,η)＝(1,4,-16,π/18)，光束可以从左向右传输。

如图4所示，高斯光束从底部发出，参数(P,ω,n₀,η)＝(1,4,16,-π/18)，光束无法从右向左传输。

如图5所示，高斯光束从底部发出，参数(P,ω,n₀,η)＝(1,4,16,π/6)，光束可以从右向左传输，该二极管遭到了击穿。

其中N的总数为64，人工规范场中φ＝π/18，图3-图5中的虚线为光束入射的位置，图3和图4展示了离散孤子在全光二极管中的单向传输。

进一步，如图5所示，研究其反向击穿的特性，数值拟合的结果表明对于一个规定的φ值，存在一个阈值η_c，当反向激励-η的绝对值大于η_c，该二极管遭到反向击穿。

进一步，研究其反向击穿阈值η_c的依赖关系，以便找到控制二极管反向击穿特性的手段。如图7所示，其参数为：N＝256,n₀＝64,z＝100,展示了对于光束的不同初始值P和ω,η_c和φ呈现线性的依赖关系。

进一步，这个依赖关系可以由

η_c＝φ+b (6)

来确定，公式(6)的解释：一个空间光调制器1的反向激励会给离散光孤子增加一个反向动量，-P_η,如果反向动量克服正向动量P_φ，则离散光孤子可以移动到一个相反的方向，同时给二极管一个反向击穿。

同时，阻力存在的原因是因为需要一些额外的动量去克服离散晶格中的PN势。如图8和图9所示，其参数为：N＝256,n₀＝64,z＝100,数值拟合发现这个截距b分别随着P和ω增加和下降，表明PN势也分别随着P和ω增加和下降。

进一步，二极管的品质因数可以通过Q特征值来测量，它的定义如下：

其中

如图10所示，为一个典型的Q(η)曲线函数,参数为：(P,ω,φ)＝(1,8,π/9),N＝256,

在该曲线中，可以看到Q(η)曲线函数具有一个最大值，该值大概为4X 10⁴，该最大值Q_max位于η＝φ处，它可以通过公式(3)来解释：当η＝φ时，由引起的向量刚好补偿由φ引发的原始向量，那么就导致初始化光束的公式(5)形成一个静止的离散光孤子。在这样的环境下，入射光场的能量几乎没有辐射到左侧，这样就导致了一个很高的品质因数Q。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于波导阵列的孤子全光二极管，其特征在于：包括封装外壳和设置在封装外壳内的用于调控光路的人工规范场和嵌入在人工规范场中用于诱发孤子的非线性波导阵列，所述人工规范场包括磁场和具有磁场效应的其他效应场。

2.根据权利要求1所述的一种基于波导阵列的孤子全光二极管，其特征在于：所述波导阵列为一维非线性波导阵列，所述一维非线性波导阵列的材料为砷化镓。

3.根据权利要求1所述的一种基于波导阵列的孤子全光二极管，其特征在于：所述磁场是由环绕在波导阵列上的通电导线提供的方向和大小可控的磁场，所述磁场的方向与波导阵列的排列方向相正交。

4.根据权利要求1所述的一种基于波导阵列的孤子全光二极管，其特征在于：所述封装外壳为具有磁屏蔽性质的材料制成，所述封装外壳的材料包括硅钢片和软铁。

5.权利要求1-4任一所述的一种基于波导阵列的孤子全光二极管的实现方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1：将波导阵列嵌入在人工规范场中，采用人工规范场对进入波导阵列的信号光附加一个与光路方向相关的相位，附加相位会对光信号初始相位产生调控，导致相反方向光路的光信号在波导阵列中具有不同初动量，从而产生非互易性，实现光路的单向传输；

S2：利用波导阵列的非线性诱发进入波导阵列中的单向传输的信号光成为离散孤子，保持其在波导阵列中单向传播时的光场形状保持不变。

6.根据权利要求5所述的一种基于波导阵列的孤子全光二极管的实现方法，其特征在于：还包括以下步骤，

S3：通过对人工规范场方向的调控，实现对全光二极管导通方向的控制。

7.根据权利要求5所述的一种基于波导阵列的孤子全光二极管的实现方法，其特征在于：还包括以下步骤，

S4：通过对人工规范场的大小、光信号的功率和波导阵列间隔的调控，实现对光信号反向击穿阈值的控制。

8.根据权利要求5所述的一种基于波导阵列的孤子全光二极管的实现方法，其特征在于：品质因数为正向透射光能量和反方向透射光能量之比，还包括以下步骤，

S5：通过调节人工规范场给光信号附加的相位使其等于光信号的初始相位时，全光二极管获得最高的品质因数。

9.根据权利要求5所述的一种基于波导阵列的孤子全光二极管的实现方法，其特征在于：所述步骤S1是由公式

和公式

推导而来。