專利名稱：基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光子晶體集成器件領域，涉及二維光子晶體、光子晶體線缺陷分光波導、光子晶體點缺陷、光波相位差，尤其涉及一種基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器。
背景技術：
1987年，美國Bell實驗室的Yablonovitch和Princeton大學的John分別在研究如何抑制自發輻射和無序電介質材料中的光子局域時，各自獨立地提出了光子晶體的概念由不同介電常數的材料間隔周期排列而成的微結構，其晶格常數與工作光波的波長為
同一數量級。自光子晶體面世以來，對其的研究取得了很大的進展，光子晶體可以應用于制造高性能的反射鏡、光子晶體光波導、發光二極管、波長濾波器、微諧振腔、光開光等各種光子晶體器件。近年來，光學邏輯器件的研究工作成為一個研究熱點，一些基本的光學邏輯門已經成功地被發明和實現，進一步大規模邏輯功能的實現則需要用到脈沖發生器作為控制信號，本發明是一種對比度很高的全光單脈沖發生器。傳統的光學單脈沖都是通過脈沖光源獲得，例如調Q和鎖模激光器，通過這種方法獲得光學單脈沖需要使用體積較大的裝置，而且耗能大，關鍵是這種類型的光學單脈沖發生器不利于集成，無法應用到集成光學邏輯器件中，本發明的光學單脈沖發生器是利用光子晶體中的光路實現的，全部采用線性材料，具有體積小、低耗能等優點，也易于實現集成。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種結構體積小、低耗能、易于集成的光學單脈沖發生器。解決本發明技術問題的技術方案是提供了一種基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，包含在二維光子晶體中的一個多分支交叉波導，該交叉波導為十字交叉波或X交叉波導；所述十字交叉波導與信號光輸入波導、參考光輸入波導垂直交叉， 在所述交叉波導的交叉處設置有介質桿構成波導點缺陷，形成交叉分光結構；其一個分支波導分別與信號光、參考光相連接，另一個分支波導輸出單脈沖光。所述二維光子晶體由硅或其它高折射率介質桿在空氣或其它低折射率背景介質材料中呈二維周期性排列構成，該光子晶體的光子禁帶覆蓋了工作波長的取值，優選地，低折射率介質材料為空氣，高折射率介質取為硅，周期結構光子晶體的晶格常數取為a μ m，介質桿的半徑取為O. 18a μ m,工作波長取為2. 9762a μ m。所述信號光輸入波導、參考光輸入波導和輸出波導為光子晶體線缺陷波導，波導中傳輸的光波的波長位于波導兩側的光子晶體的光子禁帶波長范圍內。所述信號光輸入波導、參考光輸入波導或輸出波導的長度不小于3個晶格周期或
3晶格常數，信號光輸入波導、參考光輸入波導的長度不同。所述信號光在輸入波導中的傳輸光程與參考光在參考光輸入波導中的傳輸光程 的光程差約為波長的整數倍，即光程相位差約為2 的整數倍，信號光與參考光初位相相 同；所述的傳輸光程差包含信號光與參考光的初位相差折合的等效光程差，該等效光程差 約為波長的整數倍，即等效光程相位差約為2^1的整數倍，信號光與參考光初位相不同。所述信號光輸入波導、參考光輸入波導的光程差的最優值，可以獲得較好的單脈 沖，相應的高低邏輯幅度比達到最大，脈沖寬度達到最小。所述交叉波導交叉處的波導缺陷介質桿為線性介質桿，優選地，所述波導缺陷介 質桿與構成光子晶體的介質桿的材料為同一種材料，其半徑取為o. 292au mo所述交叉波導產生的單脈沖的脈寬為該結構中的信號光輸入波導、參考光輸入波 導的相位差除以工作波長圓頻率，即為2m ji/co，其中m為自然正整數，《為工作波長圓頻率。所述的X交叉波導與兩波導成非90度的角度交叉，優選地，非90度交叉包括30 度、45度、60度交叉。所述的分支波導為直波導或彎曲波導。本發明與現有技術相比的有益效果是本發明提供的光學單脈沖發生器具有結構體積小、低耗能、易于實現大規模邏輯 光路集成。


基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器的典型結構如圖1所示，它由 兩個具有光程差的“十”字波導結構和點缺陷介質桿組成，端口 1為輸入端，端口 2為輸入 端，端口 3為閑置端，端口 4為輸出端。圖1是實施例1的基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器的典型結構 示意圖，其中空白部分為空氣，紅色實心圓點為介質桿，線形空白缺陷為光波導，“十”字交 叉處的紅色圓點為點缺陷介質桿，端口 1為輸入端，端口 2為輸入端，端口 3為閑置端，端口 4為輸出端。圖2是實施例1的單脈沖光發生器最后處于穩態時的光場分布，其中每條線對應 一場強等強度線，為便于查看，省略了場強超過1的區域中的等強度線。為了簡化起見，圖 中省略了反相區的場分布。圖3是實施例1的單脈沖光發生器的輸出端口的光波的電場幅度的平方隨時間變 化的曲線。圖4是實施例2的基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器圖5是實施例2的單脈沖光發生器的輸出端口的光的電場幅度的平方隨時間變化 的曲線。圖6是實施例3的基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器圖7是實施例3的單脈沖光發生器的輸出端口的光的電場幅度的平方隨時間變化 的曲線。具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的描述。本發明由基于二維光子晶體線缺陷的具有穩定光程差的交叉分光波導結構和位于波導交叉處的波導點缺陷組成，典型結構參見圖I。超短單脈沖光發生器由在低折射率介質中周期性排列的介質柱組成，其中的圓點均為線性高折射率介質柱，優選地，低折射率材料(空白部分)取為空氣，折射率分別取為31，線性高折射率介質取為硅，折射率取為3. 4， 娃柱的半徑取為O. 18 μ m。陣列數位為17X31,晶格常數a為I μ m,工作波長為2. 9762 μ m。對于光通信中光波波長為I. 55 μ m,根據麥克斯韋方程解的伸縮不變性原理，將結構的幾何尺寸和結構中的所有元素的幾何尺寸做相同系數的縮放，同時將波長做等比例縮放，則解的形式不變。將工作波長由2. 9762 μ m變為I. 55 μ m的縮小系數為2.9762/1.55 =I. 92，為了使結構能在這個工作波長處工作，則需要將晶格常數變為I μ m/1. 92 = O. 5208 μ m。具體實施例I如圖I所示，在空氣背景中讓介質柱17X31四角晶格排布陣列，取圖I中“十”字波導交叉中心位置為坐標原點(0，0)，規定晶格陣列中第m行、第η列位置處的晶格坐標為(m，n)。把第O行和第O列的介質柱挖掉形成交叉垂直波導。端口 I處的入射光源坐標為(-20. 2，0)，端口 2處的入射光源坐標為(0，-8)。“十”字交叉處點缺陷介質桿的半徑為O. 292 μ m，其坐標為(O. 188，-O. 188)。在端口 I處輸入信號光波，在端口 2處輸入參考光波，最后在端口 4處得到單脈沖光輸出。適當調節端口 I和端口 2處光源的位置以及點缺陷介質桿的位置和半徑大小(如圖I)，使2束光波到達點缺陷時具有強度相當、光程差為波長的整數倍，即光程相位差為
231的整數倍。由于波導兩側的介質桿只是起約束波的傳播的作用，一般情況下，有三排介質桿已經有相當好的約束作用，因此圖I所示的結構中，線缺陷波導的兩側最少可以只保留3層介質柱。其工作過程如下工作之前，即t = O時刻之前，參考光和輸入光都不存在。在開始工作時，即自t =O時刻開始,在端口 2加參考光,在輸入端I加輸入光。由于參考光到波導交叉處的路徑比較短，參考光先進入交叉點波導缺陷介質桿處，該波導缺陷介質桿等效于一個低品質因子的諧振腔，腔中的光場逐步變大，耦合到輸出端4的輸出光也逐漸增大。其后，隨著來自端口 I的信號光到達諧振腔中，由于波導缺陷介質桿對輸入光和參考光的相移相差180度, 率禹合到輸出端4的信號逐步下降,穩態時,輸出光場基本消失,從而完成了一個單脈沖光的發生過程。數字模擬結果證實，該結構能產生單脈沖。在輸入端施加一個連續波的情況下， 數字模擬的結果如圖2和圖3所示，其中圖2是圖3所示的時間軸末端，即ct = IOOOym 時圖I所示結構的場分布圖。圖3給出的模擬結果證明，該結構確實能產生半功率寬度為 123. 446飛秒的單次超短單脈沖。模擬時，信號光和參考光的功率線密度相等，均為Ptl,信號光和參考光在其入射端的初位相均為O度。圖4是實施例2，所用的材料與實施例I中的相同。實施例2與實施例I的差別在于波導I 32的長度及參考光和信號光的位置有所變化，其中參考光的位置為(0，-4)，信號光的位置為(-10. 48，0)，這里同樣取十字交叉波導交叉中心位置為坐標原點(0，0)。信號光的輸入功率為I. 68匕，信號光在入射端的初位相為-9度，參考光的輸入功率為O. 9P。， 參考光在入射端的初位相為O度。在實施例2中，波導I中的信號光和2中的參考光的光程差還滿足波長的整數倍，即光程相位差還為2 π的整數倍。圖5是在輸入端施加一個連續光信號情況下，數字模擬得到的輸出端光信號時間波形圖。圖5顯示，圖4的結構能獲得半功率寬度為80. 01飛秒的單次超短脈沖。圖6是實施例3，所用的材料與實施例I中的相同。實施例3與實施例I的差別在于波導I 3的長度和形狀、信號光的位置有所變化，其中參考光的位置為(0，-8)，信號光的位置為(-14，-4)，這里同樣將波導交叉中心點位置設為坐標原點(0，0)。但是，在實施例3中，波導I中的信號光和2中的參考光的光程差還滿足波長的整數倍，即光程相位差還為2π的整數倍。圖7是在輸入端施加一個連續光信號情況下，數字模擬得到的輸出端光信號時間波形圖。圖7顯示，圖6的結構能獲得半功率寬度為86. 15飛秒的單次超短脈沖。 模擬時，信號光的功率線密度為I. 29匕，信號光在入射端的初位相為77度，參考光的功率線密度為O. 5匕，參考光在入射端的初位相為O度。本發明光學單脈沖發生器是基于光的干涉原理。信號光和參考光沿不同的方向進入波導，兩束光波經歷的光程不相同，在多分支波導的交叉處相遇，適當改變結構和光程差，使兩束光波具有穩定的相位差，利用波導中的缺陷介質桿的分光和移相作用，在輸出波導中相干疊加后產生超短單脈沖光輸出。以上所述本發明在具體實施方式
及應用范圍均有改進之處，不應當理解為對發明限制。
權利要求
1.一種基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，其特征在于包含在二維光子晶體中的一個多分支交叉波導，該交叉波導為十字交叉波導或X交叉波導；所述十字交叉波導與信號光輸入波導、參考光輸入波導垂直交叉，在所述交叉波導的交叉處設置有介質桿構成波導點缺陷，形成交叉分光結構；其一個分支波導分別與信號光、參考光相連接，另一個分支波導輸出單脈沖光。
2.根據權利要求I所述基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，其特征在于，所述二維光子晶體由硅或其它高折射率介質桿在空氣或其它低折射率背景介質材料中呈二維周期性排列構成，該光子晶體的光子禁帶覆蓋了工作波長的取值，優選地，低折射率介質材料為空氣，高折射率介質取為硅，周期結構光子晶體的晶格常數取為a μ m，介質桿的半徑取為O. 18a μ m,工作波長取為2. 9762a μ m。
3.根據權利要求I所述基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，其特征在于，所述信號光輸入波導、參考光輸入波導和輸出波導為光子晶體線缺陷波導，波導中傳輸的光波的波長位于波導兩側的光子晶體的光子禁帶波長范圍內。
4.根據權利要求3所述基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，其特征在于，所述信號光輸入波導、參考光輸入波導或輸出波導的長度不小于3個晶格周期或晶格常數，信號光輸入波導、參考光輸入波導的長度不同。
5.根據權利要求I或3所述基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，其特征在于，所述信號光在輸入波導中的傳輸光程與參考光在參考光輸入波導中的傳輸光程的光程差約為波長的整數倍，即光程相位差約為2 π的整數倍，信號光與參考光初位相相同； 所述的傳輸光程差包含信號光與參考光的初位相差折合的等效光程差，該等效光程差約為波長的整數倍，即等效光程相位差約為2 π的整數倍，信號光與參考光初位相不同。
6.根據權利要求I或3所述基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，其特征在于，所述信號光輸入波導、參考光輸入波導的光程差的最優值，可以獲得較好的單脈沖，相應的高低邏輯幅度比達到最大，脈沖寬度達到最小。
7.根據權利要求I所述基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，其特征在于，所述交叉波導交叉處的波導缺陷介質桿為線性介質桿，優選地，所述波導缺陷介質桿與構成光子晶體的介質桿的材料為同一種材料，其半徑取為O. 292a μ m。
8.根據權利要求I所述基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，其特征在于，所述交叉波導產生的單脈沖的脈寬為該結構中的信號光輸入波導、參考光輸入波導的相位差除以工作波長圓頻率，即為2πιπ/ω，其中m為自然正整數，ω為工作波長圓頻率。
9.根據權利要求I所述基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，其特征在于所述的X交叉波導與兩波導成非90度的角度交叉，優選地，非90度交叉包括30度、45 度、60度交叉。
10.根據權利要求I所述的基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，其特征在于所述的分支波導為直波導或彎曲波導。
全文摘要
本發明公開了一種基于光子晶體交叉分光波導的超短單脈沖光發生器，它包含在二維光子晶體中的一個多分支交叉波導，該交叉波導為十字交叉波導或X叉交波導；所述十字交叉波導與信號光輸入波導、參考光輸入波導垂直交叉，在所述交叉波導的交叉處設置有介質桿構成波導點缺陷，形成交叉分光結構；一個分支波導分別與信號光、參考光相連接，其另一個分支波導輸出單脈沖光。本發明發生器結構的體積小、低耗能、易于實現大規模邏輯光路集成。
文檔編號G02B6/125GK102591095SQ20121003970
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者劉可風, 歐陽征標 申請人:深圳大學