CN108562973B - 基于光子晶体的非互易光传输装置及非互易光传输方法 - Google Patents

基于光子晶体的非互易光传输装置及非互易光传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体的非互易光传输方法，通过对光子晶体波导进行微结构设计，使光子晶体微腔与前、后两侧光子晶体波导间的耦合系数产生较为明显的差异，从而使得信号光耦合入微腔的难易程度与信号光的入射方向显著相关，而耦合入微腔的信号光能量大小将决定腔内能量是否达到微腔“高能量透射谐振态”的阈值，进而影响到信号光的传输是导通还是被截止，从而实现信号光的非互易传输。本发明还公开了一种基于光子晶体的非互易光传输装置。本发明可以通过对构成光子晶体波导的微介质柱尺寸进行精细调节来自由操控信号光导通的方向，并具有较高的正反向传输对比度及较大的工作带宽。

Description

基于光子晶体的非互易光传输装置及非互易光传输方法
技术领域
本发明涉及微纳光子学领域，特别涉及基于光子晶体的非互易光传输装置及非互易光传输方法。
背景技术
光的非互易传输是指允许光仅沿着一个方向传输，而相反方向的光传输则被抑止。这与具有p-n结的电子二极管的单向传输效应非常类似，因而在全光计算、激光技术、全光信息处理等领域具有广泛的应用前景。随着微纳光子技术的飞速发展，人们对光的非互易传输提出了新的要求。一方面，要求全光非互易传输装置具有微纳尺寸，以便实现光子芯片集成；另一方面，要求光的非互易传输能在较低光功率下运作，并具有很高的正反向传输对比度，以适用于将来光子计算机和光量子通信等芯片级技术的需求。
打破光传输的时间反演对称性是实现光非互易传输的关键。目前，人们已经提出了许多不同的实现光非互易传输的机制和方法，例如使用超材料、可调液晶、磁光材料、不可逆损耗、非线性谐波产生、间接带间光子跃迁等。其中，基于磁光效应的非互易光传输是研究得最早、最广泛的，但是由于它需要外加强磁场以及在制作工艺上无法与标准的硅(Si)基CMOS工艺相匹配，因此很难适用于如今高度集成的光子芯片。而基于非线性光学效应的非互易光传输则不需要外加强磁场，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，是当前非互易光传输研究的主流方式。
为实现超高的非互易光传输对比度，采用非对称的Fano微腔-波导结构是一种较为理想的解决方案，其典型特征是Fano透射谱线具有明显的不对称性，并且从谱线的谷值(透射率为0)到峰值有着尖锐的突变。然而，正如Fan等人所指出的，所有Fano型非互易光传输的工作带宽都极小。例如，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，寻找同时实现较高传输对比度和较大工作宽的非互易光传输方法是十分重要和关键的。
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非互易光传输装置，使非互易光传输既具有较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。
本发明的另一目的在于提供上述基于非互易光传输装置的非互易光传输方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
基于光子晶体的非互易光传输装置，包括波长可调谐连续波激光器、功率可调超短脉冲激光器以及光子晶体非互易微腔-波导结构；
所述光子晶体非互易微腔-波导结构由前侧光子晶体波导、光子晶体微腔、后侧光子晶体波导组成；所述前侧光子晶体波导位于光子晶体微腔的左侧，后侧光子晶体波导位于光子晶体微腔的右侧；
所述功率可调超短脉冲激光器用于对光子晶体微腔泵浦；所述波长可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，折射率为3.4；所述光子晶体微腔由直径为0.42a、折射率为1.59、非线性Kerr系数为1.3×10- 3m2/W的圆形聚苯乙烯介质柱构成，其中a为光子晶体的晶格常数。
所述前侧光子晶体波导的长度为2a，后侧光子晶体波导的长度为8a。
所述的基于光子晶体的非互易光传输装置的非互易光传输方法，包括以下步骤：
步骤一：对光子晶体微腔左右两侧的波导结构进行非对称设计，通过精细调节波导内构成线缺陷的微介质柱尺寸，使微腔与前后两侧波导的耦合系数的比值大于1.5或小于0.7；
步骤二：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输入；与此同时，功率可调的超短激光脉冲随同连续波信号光由同一输入端向波导入射；在脉冲泵浦光的作用下并借助非线性Kerr效应，耦合微腔的谐振模将红移，并出现光学双稳态，进而实现全光二极管的单向光传输。
当需实现信号光的正向传输而反向截止时，进行以下操作：
在步骤一中，通过精细调节波导内构成线缺陷的微介质柱尺寸，使微腔与前侧波导的耦合系数大于微腔与后侧波导的耦合系数的1.5倍；
当信号光和脉冲泵浦光从前侧波导入射时，有足够多的能量耦合入微腔，将微腔的双稳态激发至“高能量透射谐振态”，并将微腔谐振模波长红移至信号光波长，从而实现信号光以较高的透射率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，由于后侧波导与微腔的耦合系数较小，耦合入微腔的能量不足以达到双稳态的高能量的阈值，故微腔处于“低能量透射失谐态”，使得信号光由后侧向前传输被截止。
所述精细调节波导内构成线缺陷的微介质柱尺寸，具体为：将波导内构成线缺陷的微介质柱直径缩小至0.2a，其中a为光子晶体的晶格常数。
当需要实现信号光的正向传输而反向截止时：
在步骤一中，通过精密调节波导内构成线缺陷的微介质柱尺寸，使微腔与前侧波导的耦合系数小于微腔与后侧波导的耦合系数的0.7倍；这样，当连续波信号光和脉冲泵浦光从前侧光子晶体波导入射时，由于前侧波导与微腔的耦合系数较小，耦合入微腔的能量不足以达到双稳态的高能量的阈值，故微腔处于“低能量透射失谐态”，使得信号光由前侧向后传输被截止；
而当连续波信号光从后侧波导入射时，由于后侧波导与微腔的耦合系数较大，故有足够多的能量耦合入微腔，将微腔的双稳态激发至“高能量透射谐振态”，并将微腔谐振模波长红移至信号光波长，从而实现信号光以较高的透射率向前侧光子晶体波导出射。
所述精密调节波导内构成线缺陷的微介质柱尺寸，具体为：
将波导内构成线缺陷的微介质柱直径缩小至0.08a，其中a为光子晶体的晶格常数。
所述连续波信号光的波长与光子晶体微腔的谐振波长的差值为微腔腔模线宽的4-11倍。
本发明的原理如下：本发明的光子晶体波导由一行直径缩小的圆形Si材料微介质柱形成。前侧光子晶体波导(位于光子晶体微腔的左侧)的长度为2a，后侧光子晶体波导(位于光子晶体微腔的右侧)的长度为8a，其中a为光子晶体晶格常数。通过改变构成光子晶体波导的微介质柱的尺寸，可以使光子晶体微腔与前、后两侧光子晶体波导间的耦合系数形成较为明显的差异。例如，当构成光子晶体波导的微介质柱直径为0.2a时，光子晶体微腔与前侧光子晶体波导的耦合系数是光子晶体微腔与后侧光子晶体波导的耦合系数的2.6倍；而当构成光子晶体波导的微介质柱直径为0.08a时，光子晶体微腔与前侧光子晶体波导的耦合系数则变为光子晶体微腔与后侧光子晶体波导的耦合系数的0.5倍。光子晶体微腔与光子晶体波导间的耦合系数越大，意味着信号光越容易从光子晶体波导耦合入光子晶体微腔。这样，通过选择合适的构成光子晶体波导的微介质柱尺寸，便能使得信号光耦合入光子晶体微腔的难易程度与信号光的入射方向显著相关，并直接影响光子晶体微腔的能量态。当一定功率和波长(其波长略大于光子晶体微腔的谐振波长)的连续波信号光伴随超短脉冲泵浦光一起入射时，如果入射波导与光子晶体微腔间的耦合系数较大，就会有足够多的能量耦合入光子晶体微腔，将光子晶体微腔的双稳态激发至“高能量透射谐振态”，并将微腔谐振模波长红移至信号光波长，从而实现信号光以较高的透射率出射；反之，如果入射波导与光子晶体微腔间的耦合系数较小，则耦合入光子晶体微腔的能量不足以达到双稳态的高能量态所需的阈值，故光子晶体微腔处于“低能量透射失谐态”，使得信号光的透射被截止，从而实现具有较高对比度的信号光非互易传输。此外，光子晶体微腔与前、后两侧光子晶体波导间的耦合系数的较大差异还造成前向入射和后向入射的双稳区间在频域上不再重合，而是显著分离，从而形成较大的非互易传输工作带宽。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的非互易光传输，利用光子晶体微腔与前、后两侧光子晶体波导间的耦合系数的较大差异，使得信号光前向入射和后向入射的双稳区间在频域上显著分离，从而形成较大的非互易光传输工作带宽，远大于Fano型非互易光传输方式的带宽，同时又能保证较大的非互易传输对比度。
(2)现有的基于非线性光学效应的非互易光传输方式绝大多数由两个或更多的微腔组成，本发明仅由一个非线性微腔构成，结构简单，易于集成。而且该非线性微腔的材料为聚苯乙烯，其非线性Kerr系数比Si基半导体材料大2个数量级，因此本发明可以在更低的入射光功率下实现非互易光传输。
(3)本发明的非互易光传输效应是由光子晶体微腔与前、后两侧光子晶体波导间的耦合系数具有较大差异而形成的。通过选择合适的构成光子晶体波导的微介质柱尺寸，便能使得信号光耦合入光子晶体微腔的难易程度与信号光的入射方向显著相关，从而设计出所需的非互易光传输，使得设计具有较大的灵活性。
(4)本发明的非互易光传输，由于只使用一个非线性微腔且微腔和波导位于一条直线上，这使得微腔-波导间的耦合方式不仅简单，而且为将微腔的双稳态激发至“高能量态”，所需的超短脉冲泵浦光的泵浦功率具有较大的选择范围，而Fano型非互易光传输方式则对泵浦光功率的大小要求较为苛刻。因此本发明具有更强的可操作性。
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非互易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光子晶体微腔-波导结构的示意图。
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非互易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非互易光传输装置包括波长可调谐连续波激光器(CW LD)1、可变光衰减器(VOA)2、功率可调超短脉冲激光器(Pulsed LD)3、可变光衰减器(VOA)4、光纤合束器(FC)5、偏正控制器(PC)6、透镜光纤(LF)7、非互易光子晶体微腔-波导结构8、透镜光纤(LF)9、光探测器(PD)10。
波长可调谐连续波激光器1的工作波长在1529nm到1609nm连续可调，调谐精度1MHz，频谱线宽100kHz；功率可调超短脉冲激光器3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，本实施例的光子晶体非互易微腔-波导结构8由15×11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3.4，高度(垂直于xy平面)h＝2μm，直径d＝0.4a，其中a＝538nm为晶格常数。非互易光子晶体微腔-波导结构8由前侧光子晶体波导11、光子晶体微腔12、后侧光子晶体波导13组成。所述光子晶体微腔12由直径为0.42a、折射率为1.59、非线性Kerr系数为1.3×10-3μm2/W的圆形聚苯乙烯介质柱构成，腔的前后两侧各由两个直径为0.4a的Si材料圆形介质柱构成谐振腔的腔壁。光子晶体微腔12的谐振波长为1540nm，腔模线宽为1.3nm。所述前侧光子晶体波导11位于光子晶体微腔12的左侧，后侧光子晶体波导13位于光子晶体微腔12的右侧。前侧光子晶体波导11、后侧光子晶体波导13由在光子晶体上将1行圆形Si材料介质柱缩小而形成。
本实施例的基于光子晶体的非互易光传输装置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：对光子晶体微腔12左右两侧的波导结构进行非对称设计，将前侧光子晶体波导11、后侧光子晶体波导13内构成线缺陷的圆形Si材料微介质柱直径缩小至0.2a，并使前侧光子晶体波导11的长度为2a，后侧光子晶体波导13的长度为8a。在此设计下，光子晶体微腔12与前侧光子晶体波导11的耦合系数是光子晶体微腔12与后侧光子晶体波导13的耦合系数的2.6倍。
第二步：开启波长可调谐连续波激光器1，将其工作波长调为1550nm，调节可变光衰减器2将其功率调至65毫瓦，并利用偏振控制器6令波长可调谐连续波激光器1的电场偏振沿垂直于xy平面方向(即横磁模，TM偏振)。如图1所示，波长可调谐连续波激光器1发出的信号光经透镜光纤7聚焦后沿2维光子晶体平面(即xy面)射入前侧光子晶体波导11(即正向入射)，并耦合入光子晶体微腔12。
第三步：开启功率可调超短脉冲激光器3，调节可变光衰减器4将其功率调至30瓦。功率可调超短脉冲激光器3发射的泵浦光和波长可调谐连续波激光器1发射的信号光经光纤合束器5聚束后，经由偏振控制器6，再经透镜光纤7聚焦，射入前侧光子晶体波导11，对光子晶体微腔12进行泵浦。此时，在非线性Kerr效应下，光子晶体微腔12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通过光子晶体微腔12，由后侧光子晶体波导13出射。
第四步：在图1中系统的基础上，掉转入射光的方向(如图3所示)，使波长可调谐连续波激光器1发出的信号光从后侧光子晶体波导13入射(即反向入射)。由于后侧光子晶体波导13与光子晶体微腔12间的耦合系数要小于前侧光子晶体波导11与光子晶体微腔12间的耦合系数，故相比于正向入射，反向入射的信号光耦合入光子晶体微腔的能量较小，不足以达到双稳态的高能量态所需的阈值，故微腔处于“低能量透射失谐态”(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。
第五步：将波长可调谐连续波激光器1的工作波长在1540nm到1560nm范围内每隔1nm选取一个波长，其他设置均不变，重复以上步骤，便可发现在1550nm到1554nm的带宽内，实现正向高透(约80％)而反向低透(小于1％)，从而获得较高的对比度(超过18dB)及较大的工作带宽(约4nm)。
实施例2
本实施例的实现光传输反向高透而正向低透非互易光传输装置除下述特征外，其余特征均与实施例1同。
前侧光子晶体波导11、后侧光子晶体波导13由在光子晶体上将1行圆形Si材料微介质柱缩小至0.08a而形成。在此设计下，光子晶体微腔12与前侧光子晶体波导11的耦合系数是微腔12与后侧光子晶体波导13的耦合系数的0.5倍。
将波长可调谐连续波激光器1发出的信号光沿2维线性光子晶体平面(即xy面)射入前侧光子晶体波导11(即正向入射)。由于前侧光子晶体波导11与光子晶体微腔12间的耦合系数较小，故正向入射时信号光耦合入光子晶体微腔12的能量较弱，不足以达到双稳态的高能量态所需的阈值，故微腔12处于“低能量透射失谐态”(即低透)，从而正向透射被截止。
而将连续波激光器1发出的信号光由后侧光子晶体波导13入射时，由于后侧光子晶体波导13与光子晶体微腔12间的耦合系数要大于前侧光子晶体波导11与光子晶体微腔12间的耦合系数，故相比于正向入射，反向入射的信号光耦合入光子晶体微腔12的能量较强，达到双稳态的高能量态所需的阈值，故微腔12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光子晶体波导11出射。
这样便可实现反向高透(约78％)而正向低透(小于1％)，从而获得极高的对比度(超过18dB)及较大的工作带宽(约4nm)。
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 (8)

1.基于光子晶体的非互易光传输装置，其特征在于，包括波长可调谐连续波激光器、功率可调超短脉冲激光器以及光子晶体非互易微腔-波导结构；
所述光子晶体非互易微腔-波导结构由前侧光子晶体波导、光子晶体微腔、后侧光子晶体波导组成；所述前侧光子晶体波导位于光子晶体微腔的左侧，后侧光子晶体波导位于光子晶体微腔的右侧；
所述光子晶体微腔由直径为0.42a、折射率为1.59、非线性Kerr系数为1.3×10-3m2/W的圆形聚苯乙烯介质柱构成，其中a为光子晶体的晶格常数；
所述前侧光子晶体波导、后侧光子晶体波导内构成线缺陷的微介质柱直径为0.2a；
所述前侧光子晶体波导的长度为2a，后侧光子晶体波导的长度为8a；
所述功率可调超短脉冲激光器用于对光子晶体微腔泵浦；所述波长可调谐连续波激光器用于提供入射信号光。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体的非互易光传输装置，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，折射率为3.4。
3.基于光子晶体的非互易光传输装置的非互易光传输方法，其特征在于，所述光子晶体的非互易光传输装置包括波长可调谐连续波激光器、功率可调超短脉冲激光器以及光子晶体非互易微腔-波导结构；所述光子晶体非互易微腔-波导结构由前侧光子晶体波导、光子晶体微腔、后侧光子晶体波导组成；所述前侧光子晶体波导位于光子晶体微腔的左侧，后侧光子晶体波导位于光子晶体微腔的右侧；所述功率可调超短脉冲激光器用于对光子晶体微腔泵浦；所述波长可调谐连续波激光器用于提供入射信号光；
所述非互易光传输方法包括以下步骤：
步骤一：对光子晶体微腔左右两侧的波导结构进行非对称设计，通过精细调节波导内构成线缺陷的微介质柱尺寸，使微腔与前后两侧波导的耦合系数的比值大于1.5或小于0.7；
步骤二：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输入；与此同时，功率可调的超短激光脉冲随同连续波信号光由同一输入端向波导入射；在脉冲泵浦光的作用下并借助非线性Kerr效应，耦合微腔的谐振模将红移，并出现光学双稳态，进而实现全光二极管的单向光传输。
4.根据权利要求3所述的基于光子晶体的非互易光传输装置的非互易光传输方法，其特征在于，当需实现信号光的正向传输而反向截止时，进行以下操作：
在步骤一中，通过精细调节波导内构成线缺陷的微介质柱尺寸，使微腔与前侧波导的耦合系数大于微腔与后侧波导的耦合系数的1.5倍；
当信号光和脉冲泵浦光从前侧波导入射时，有足够多的能量耦合入微腔，将微腔的双稳态激发至“高能量透射谐振态”，并将微腔谐振模波长红移至信号光波长，从而实现信号光以较高的透射率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，由于后侧波导与微腔的耦合系数较小，耦合入微腔的能量不足以达到双稳态的高能量的阈值，故微腔处于“低能量透射失谐态”，使得信号光由后侧向前传输被截止。
5.根据权利要求4所述的基于光子晶体的非互易光传输装置的非互易光传输方法，其特征在于，所述精细调节波导内构成线缺陷的微介质柱尺寸，具体为：将波导内构成线缺陷的微介质柱直径缩小至0.2a，其中a为光子晶体的晶格常数。
6.根据权利要求3所述的基于光子晶体的非互易光传输装置的非互易光传输方法，其特征在于，当需要实现信号光的正向传输而反向截止时：
在步骤一中，通过精密调节波导内构成线缺陷的微介质柱尺寸，使微腔与前侧波导的耦合系数小于微腔与后侧波导的耦合系数的0.7倍；这样，当连续波信号光和脉冲泵浦光从前侧光子晶体波导入射时，由于前侧波导与微腔的耦合系数较小，耦合入微腔的能量不足以达到双稳态的高能量的阈值，故微腔处于“低能量透射失谐态”，使得信号光由前侧向后传输被截止；
而当连续波信号光从后侧波导入射时，由于后侧波导与微腔的耦合系数较大，故有足够多的能量耦合入微腔，将微腔的双稳态激发至“高能量透射谐振态”，并将微腔谐振模波长红移至信号光波长，从而实现信号光以较高的透射率向前侧光子晶体波导出射。
7.根据权利要求6所述的基于光子晶体的非互易光传输装置的非互易光传输方法，其特征在于，所述精密调节波导内构成线缺陷的微介质柱尺寸，具体为：
将波导内构成线缺陷的微介质柱直径缩小至0.08a，其中a为光子晶体的晶格常数。
8.根据权利要求3所述的基于光子晶体的非互易光传输装置的非互易光传输方法，其特征在于，所述连续波信号光的波长与光子晶体微腔的谐振波长的差值为微腔腔模线宽的4-11倍。
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