本發明涉及光控光開關領域，具體而言涉及一種硫系玻璃光子晶體光纖2×2干涉型全光開關及控制方法。

背景技術：

光開關是一種可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件，可實現動態光路徑管理、光網絡故障保護、波長動態分配等功能，在光學信息處理、光計算還是光通信等領域中占有重要的地位。研究高速、高靈敏光開關或光開關矩陣，可解決目前復雜網絡中的波長爭用問題，對提高波長重用率及進行網絡靈活配置有重要的意義。傳統的光開關大多是電控的光開關，這些開關通常存在光電轉換困難，開關速度較慢以及開關功率較高的缺點。為了使光通信和光網絡等系統真正實現全光化，采用以光控光的全光開關是必要的，這樣可使光交換和光路由完全在光域范圍內實現，而且開關時間可以縮短到納秒以下。

非線性馬赫-澤德(M-Z)儀就是一種光控型光開關，它是克爾效應和M-Z干涉儀結合的一種干涉儀型光開關。它具有結構簡單、實現方便、開關速度可通過合理控制光的注入及采用合適的三階非線性光學材料來提高等優勢，理論上完全滿足高速、高靈敏的要求，在超高速光通信領域具有廣泛的應用前景，因此是目前研究最多、最有前途的一種全光開關結構類型。對于非線性M-Z型光開關，其基本原理是利用M-Z儀兩條干涉臂內克爾效應產生的非線性相移差達到π時非線性光學效應相消，從而實現超高速斷開。由于此類開關是基于光的克爾效應，因而通常開關功率較大，通過增加兩個干涉臂的長度差可以降低開關功率，但是這樣又不利于器件的小型化和集成化。因此，選擇一種具有大的光學非線性系數和超快光響應的材料，并設計合理的波導結構對于降低開關功率、提高開關速度具有重要意義。此外，為滿足大數據量的光學計算、通信以及光網絡的需要，增加單個開關元件的路數也是必要的，對于形成N×N開關矩陣來說，以2×2開關數為單元開關，其自由組合能組成豐富的矩陣開關，可有效減少控制電極數和提高開關的性能。

技術實現要素：

本發明目的在于提供一種硫系玻璃光子晶體光纖2×2干涉型全光開關，將具有高非線性效應的硫系玻璃材料與能產生高非線性效應的光子晶體光纖技術相結合，實現了高速光控2×2光開關陣列裝置，同時，將非線性M-Z光開關作為基本單元，設計2×2光開關陣列，利用M-Z光開關相位調制控制信號光的輸出，可以同時或分別實現上行通斷和下行通斷。

本發明的上述目的通過獨立權利要求的技術特征實現，從屬權利要求以另選或有利的方式發展獨立權利要求的技術特征。

為達成上述目的，本發明提出一種硫系玻璃光子晶體光纖2×2干涉型全光開關，所述全光開關包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第六耦合器、第一硫系玻璃基質微結構光纖、第二硫系玻璃基質微結構光纖、第三硫系玻璃基質微結構光纖，以及用于連接上述各部件的若干段石英單模光纖。

所述第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第六耦合器、第一硫系玻璃基質微結構光纖、第二硫系玻璃基質微結構光纖、第三硫系玻璃基質微結構光纖，以及用于連接上述各部件的若干段石英單模光纖均布設在一PVC襯底基片上。

所述第一耦合器具有一個輸入端和兩個輸出端，第一耦合器的輸入端被定義成第一信號光源輸入端，其位于所述PVC襯底基片邊緣，外接有第一信號光源。

所述第二耦合器具有一個輸入端和兩個輸出端，第二耦合器的輸入端被定義成第二信號光源輸入端，其位于所述PVC襯底基片邊緣，外接有第二信號光源。

所述第一信號光源和第二信號光源發出的信號光波長相同。

所述第三耦合器具有三個輸入端和一個輸出端，三個輸入端分別被定義成第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端。

所述第一耦合器的其中一個輸出端與第一硫系玻璃基質微結構光纖的一端連接，另一個輸出端與第三耦合器的第一輸入端連接。

所述第二耦合器的其中一個輸出端與第二硫系玻璃基質微結構光纖的一端連接，另一個輸出端與第三耦合器的第二輸入端連接。

所述第三耦合器的第三輸入端被定義成第一控制端，其位于所述PVC襯底基片邊緣，外接有第一控制光源。

所述第四耦合器具有一個輸入端與兩個輸出端，其輸入端與所述第三耦合器的輸出端連接，兩個輸出端分別被定義成第一輸出端與第二輸出端。

所述第五耦合器具有兩個輸入端和一個輸出端，其中一個輸入端與第一硫系玻璃基質微結構光纖不與第一耦合器連接的一端連接，另一個輸入端與第四耦合器的第一輸出端連接，第五耦合器的輸出端被定義成第一信號光源輸出端。

所述第六耦合器具有兩個輸入端和一個輸出端，其中一個輸入端與第二硫系玻璃基質微結構光纖不與第二耦合器連接的一端連接，另一個輸入端與第四耦合器的第二輸出端連接，第六耦合器的輸出端被定義成第二信號光源輸出端。

進一步的，所述第一硫系玻璃基質微結構光纖、第二硫系玻璃基質微結構光纖、第三硫系玻璃基質微結構光纖的端面均由基底材料、纖芯和空氣孔組成，纖芯采用具有高線性折射率的Ge-As-Se三元系統硫系玻璃材料。

可選的，所述空氣孔中填充有低折射率材料。

進一步的，所述第一耦合器、第二耦合器、第四耦合器采用3dB二功分器。

所述第三耦合器采用3dB合路器。

所述第五耦合器、第六耦合器采用WDM。

進一步的，所述第一硫系玻璃基質微結構光纖、第二硫系玻璃基質微結構光纖中傳輸的信號光和第三硫系玻璃基質微結構光纖中傳輸的信號光具有相位差。

所述第三硫系玻璃基質微結構光纖的長度被設置成與第一硫系玻璃基質微結構光纖、第二硫系玻璃基質微結構光纖的長度相匹配，以使在施加泵浦脈沖至第三硫系玻璃基質微結構光纖時，所述相位差為π，而不施加泵浦脈沖時，相位差為0。

可選的，所述第一硫系玻璃基質微結構光纖、第二硫系玻璃基質微結構光纖、第三硫系玻璃基質微結構光纖的長度相同，且長度與泵浦脈沖激勵第三硫系玻璃基質微結構光纖產生非線性效應改變信號光相位量相匹配。

進一步的，所述第一控制光源采用工作波長與硫系玻璃非線性特性相匹配的脈沖激光。

可選的，第一控制光源采用波長為1064nm的皮秒脈沖。

進一步的，所述第一耦合器與第一硫系玻璃基質微結構光纖之間設置有第七耦合器，該第七耦合器具有兩個輸入端和一個輸出端，第七耦合器的其中一個輸入端與第一耦合器連接，另一個輸入端被定義成第二控制端，外接有第二控制光源。

所述第二耦合器與第二硫系玻璃基質微結構光纖之間設置有第八耦合器，該第八耦合器具有兩個輸入端和一個輸出端，第八耦合器的其中一個輸入端與第二耦合器連接，另一個輸入端被定義成第三控制端，外接有第三控制光源。

所述第七耦合器、第八耦合器采用3dB合路器。

本發明還提出一種采用前述硫系玻璃光子晶體光纖2×2干涉型全光開關的控制方法，包括：

第一信號光源發出信號光，經由第一耦合器均分成兩束，這兩束信號光分別被定義成第一信號光和第二信號光，其中，第一信號光進入第一硫系玻璃基質微結構光纖，第二信號光經由第三耦合器進入第三硫系玻璃基質微結構光纖，第一信號光和第二信號光之間產生第一相位差。

第二信號光源發出信號光，經由第二耦合器均分成兩束，這兩束信號光分別被定義成第三信號光和第四信號光，其中，第三信號光進入第二硫系玻璃基質微結構光纖，第四信號光經由第三耦合器進入第三硫系玻璃基質微結構光纖，第三信號光和第四信號光之間產生第二相位差。

第一控制光源沒有發出泵浦光時，第三硫系玻璃基質微結構光纖的折射率和第一硫系玻璃基質微結構光纖、第二硫系玻璃基質微結構光纖相同，第一相位差和第二相位差均為0，第二信號光和第四信號光經由第四耦合器再分束，分別傳輸至第五耦合器和第六耦合器，其中，第一信號光和第二信號光經由第五耦合器合束后從第一信號光源輸出端傳輸出去，第三信號光和第四信號光經由第六耦合器合束后從第二信號光源輸出端傳輸出去，實現開關的開通功能。

第一控制光源發出泵浦光時，該泵浦光經由第三耦合器進入第三硫系玻璃基質微結構光纖，通過光學克爾效應引起第三硫系玻璃基質微結構光纖的折射率發生變化，第一相位差和第二相位差均為π，泵浦光、第二信號光、第四信號光的混合光束經過第四耦合器再分束，分別傳輸至第五耦合器和第六耦合器，第五耦合器和第六耦合器濾除混合光束中的泵浦光，第一信號光和第二信號光之間產生干涉，第一信號光源輸出端無信號光輸出，第三信號光和第四信號光之間產生干涉，第二信號光源輸出端無信號光輸出，實現開關的斷開功能。

由以上本發明的技術方案，與現有相比，其顯著的有益效果在于：

1、將具有高非線性效應的硫系玻璃材料與能產生高非線性效應的光子晶體光纖技術相結合，實現了高速光控2×2光開關陣列裝置。

2、將非線性M-Z光開關作為基本單元，設計2×2光開關陣列，利用M-Z光開關相位調制控制信號光的輸出，可以同時或分別實現上行通斷和下行通斷。

應當理解，前述構思以及在下面更加詳細地描述的額外構思的所有組合只要在這樣的構思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發明主題的一部分。另外，所要求保護的主題的所有組合都被視為本公開的發明主題的一部分。

結合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發明教導的前述和其他方面、實施例和特征。本發明的其他附加方面例如示例性實施方式的特征和/或有益效果將在下面的描述中顯見，或通過根據本發明教導的具體實施方式的實踐中得知。

附圖說明

附圖不意在按比例繪制。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或近似相同的組成部分可以用相同的標號表示。為了清晰起見，在每個圖中，并非每個組成部分均被標記。現在，將通過例子并參考附圖來描述本發明的各個方面的實施例，其中：

圖1是本發明的硫系玻璃光子晶體光纖2×2干涉型全光開關的結構示意圖。

圖2是本發明的硫系玻璃光子晶體光纖結構示意圖。

圖中標號為：1、第一信號光源輸入端，2、第二信號光源輸入端，3、第一控制端，4、第一信號光源，5、第二信號光源，6、第一信號光源輸出端，7、第二信號光源輸出端，8、第一硫系玻璃基質微結構光纖，9、第二硫系玻璃基質微結構光纖，10、第三硫系玻璃基質微結構光纖，11、第一耦合器，12、第二耦合器，13、第三耦合器，14、第四耦合器，15、第五耦合器，16、第六耦合器，17、PVC襯底基片，18、第七耦合器，19、第八耦合器，20、第二控制端，21、第三控制端，22、第一控制光源，23、第二控制光源，24、第三控制光源，25、空氣孔。

具體實施方式

為了更了解本發明的技術內容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。

在本公開中參照附圖來描述本發明的各方面，附圖中示出了許多說明的實施例。本公開的實施例不必定意在包括本發明的所有方面。應當理解，上面介紹的多種構思和實施例，以及下面更加詳細地描述的那些構思和實施方式可以以很多方式中任意一種來實施，這是因為本發明所公開的構思和實施例并不限于任何實施方式。另外，本發明公開的一些方面可以單獨使用，或者與本發明公開的其他方面的任何適當組合來使用。

結合圖1，本發明所提及的硫系玻璃光子晶體光纖2×2干涉型全光開關，所述全光開關包括第一耦合器11、第二耦合器12、第三耦合器13、第四耦合器14、第五耦合器15、第六耦合器16、第一硫系玻璃基質微結構光纖8、第二硫系玻璃基質微結構光纖9、第三硫系玻璃基質微結構光纖10，以及用于連接上述各部件的若干段石英單模光纖。

所述第一耦合器11、第二耦合器12、第三耦合器13、第四耦合器14、第五耦合器15、第六耦合器16、第一硫系玻璃基質微結構光纖8、第二硫系玻璃基質微結構光纖9、第三硫系玻璃基質微結構光纖10，以及用于連接上述各部件的若干段石英單模光纖均布設在一PVC襯底基片17上，使該全光開關實現集成一體化。

所述第一耦合器11具有一個輸入端和兩個輸出端，第一耦合器11的輸入端被定義成第一信號光源輸入端1，其位于PVC襯底基片17邊緣，外接有第一信號光源4。

所述第二耦合器12具有一個輸入端和兩個輸出端，第二耦合器12的輸入端被定義成第一信號光源輸入端2，其位于PVC襯底基片17邊緣，外接有第一信號光源5。

所述第一信號光源4和第二信號光源5發出的信號光波長相同。

所述第三耦合器13具有三個輸入端和一個輸出端，三個輸入端分別被定義成第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端。

所述第一耦合器11的其中一個輸出端與第一硫系玻璃基質微結構光纖8的一端連接，另一個輸出端與第三耦合器13的第一輸入端連接。

所述第二耦合器12的其中一個輸出端與第二硫系玻璃基質微結構光纖9的一端連接，另一個輸出端與第三耦合器13的第二輸入端連接。

所述第三耦合器13的第三輸入端被定義成第一控制端3，其位于所述PVC襯底基片17邊緣，外接有第一控制光源22。

所述第四耦合器14具有一個輸入端與兩個輸出端，其輸入端與所述第三耦合器13的輸出端連接，兩個輸出端分別被定義成第一輸出端與第二輸出端。

所述第五耦合器15具有兩個輸入端和一個輸出端，其中一個輸入端與第一硫系玻璃基質微結構光纖8不與第一耦合器11連接的一端連接，另一個輸入端與第四耦合器14的第一輸出端連接，第五耦合器15的輸出端被定義成第一信號光源輸出端6。

所述第六耦合器16具有兩個輸入端和一個輸出端，其中一個輸入端與第二硫系玻璃基質微結構光纖9不與第二耦合器12連接的一端連接，另一個輸入端與第四耦合器14的第二輸出端連接，第六耦合器16的輸出端被定義成第一信號光源輸出端7。

所述第一耦合器11、第二耦合器12、第四耦合器14采用3dB二功分器。

所述第三耦合器13采用3dB合路器。

所述第五耦合器15、第六耦合器16采用WDM。

結合圖2，所述第一硫系玻璃基質微結構光纖8、第二硫系玻璃基質微結構光纖9、第三硫系玻璃基質微結構光纖10的端面均由基底材料、纖芯和空氣孔25組成，纖芯采用具有高線性折射率的Ge-As-Se三元系統硫系玻璃材料。

纖芯為具有高線性折射率的Ge-As-Se三元系統硫系玻璃材料，其折射率可以與基底材料相同，也可以不同。光纖端面的空氣孔，也可以由其它低折射率材料填充，以改變各個部分的折射率，幾何尺寸和排布方式，實現不同的光纖特性。

空氣孔25的形狀可以是圓形、橢圓形或其它形狀，孔與孔的形狀可以一樣，也可以不一樣，孔的層數可以是1層，也可以是多層，孔的整體排布可以是允許的任意形狀。

所述第一硫系玻璃基質微結構光纖8、第二硫系玻璃基質微結構光纖9中傳輸的信號光和第三硫系玻璃基質微結構光纖10中傳輸的信號光具有相位差。

所述第三硫系玻璃基質微結構光纖10的長度被設置成與第一硫系玻璃基質微結構光纖8、第二硫系玻璃基質微結構光纖9的長度相匹配，以使在施加泵浦脈沖至第三硫系玻璃基質微結構光纖10時，前述相位差為π，而不施加泵浦脈沖時，前述相位差為0。

作為其中的一種實施例，所述第一硫系玻璃基質微結構光纖8、第二硫系玻璃基質微結構光纖9、第三硫系玻璃基質微結構光纖10的長度設置成相同，且長度與泵浦脈沖激勵第三硫系玻璃基質微結構光纖10產生非線性效應改變信號光相位量相匹配，以此使得相位差為0或者π。

所述第一控制光源22采用工作波長與硫系玻璃非線性特性相匹配的脈沖激光。

優選的，第一控制光源22采用波長為1064nm的皮秒脈沖。

光波傳輸過程中，頻率ω的強控制泵浦光作用于波導介質，由于交叉作用光學克爾效應，會引起相應于信號光頻率ω₀的介質折射率變化。一個沿z方向傳播的單色波E(ω,z)＝E(z)e^i(kz-ωt)，由于光學克爾效應會引起介質折射率變化，此時折射率變為：n＝n₀+Δn，n₀為線性折射率，△n為非線性折射率。而介質折射率變化進一步引起在介質內部傳輸的信號光波的相位變化，傳至z＝L處時其相位變化為：而式中非線性折射率△n與泵浦光強成正比：Δn＝n₂|E(ω)|²，其中n₂為介質的非線性折射系數，與入射泵浦光及介質本身特性相關。因此在介質中傳輸的信號光波相位變化為：從而當控制光源發出的泵浦光經WDM入射進硫系玻璃光子晶體光纖時，引起該光子晶體光纖折射率發生改變，進一步導致由交叉作用光學克爾效應引起的信號源光波相位的變化。因此通過調節控制光源泵浦脈沖的強度，即增加|E(ω)|²項，可實現調節兩個硫系玻璃基質微結構光纖中的入射信號光的相位變化。再利用相干光的干涉原理，當兩束相干光的相位差時，兩個光纖中傳輸過來的信號光實現相干相消，從而使得當π時，兩輸出端產生通斷。

在此基礎上，本發明提出一種采用前述硫系玻璃光子晶體光纖2×2干涉型全光開關的控制方法，包括：

第一信號光源4發出信號光，經由第一耦合器11均分成兩束，這兩束信號光分別被定義成第一信號光和第二信號光，其中，第一信號光進入第一硫系玻璃基質微結構光纖8，第二信號光經由第三耦合器13進入第三硫系玻璃基質微結構光纖10，第一信號光和第二信號光之間產生第一相位差。

第二信號光源5發出信號光，經由第二耦合器12均分成兩束，這兩束信號光分別被定義成第三信號光和第四信號光，其中，第三信號光進入第二硫系玻璃基質微結構光纖9，第四信號光經由第三耦合器13進入第三硫系玻璃基質微結構光纖10，第三信號光和第四信號光之間產生第二相位差。

第一控制光源22沒有發出泵浦光時，第三硫系玻璃基質微結構光纖10的折射率和第一硫系玻璃基質微結構光纖8、第二硫系玻璃基質微結構光纖9相同，第一相位差和第二相位差均為0，第二信號光和第四信號光經由第四耦合器14再分束，分別傳輸至第五耦合器15和第六耦合器16，其中，第一信號光和第二信號光經由第五耦合器15合束后從第一信號光源輸出端6傳輸出去，第三信號光和第四信號光經由第六耦合器16合束后從第二信號光源輸出端7傳輸出去，實現開關的開通功能。

第一控制光源22發出泵浦光時，該泵浦光經由第三耦合器13進入第三硫系玻璃基質微結構光纖10，通過光學克爾效應引起第三硫系玻璃基質微結構光纖10的折射率發生變化，第一相位差和第二相位差均為π，泵浦光、第二信號光、第四信號光的混合光束經過第四耦合器14再分束，分別傳輸至第五耦合器15和第六耦合器16，第五耦合器15和第六耦合器16采用WDM，由于WDM具有濾波功能，混合光束中的泵浦光被濾除，余下的第一信號光和第二信號光之間產生干涉，第一信號光源輸出端6無信號光輸出，第三信號光和第四信號光之間產生干涉，第二信號光源輸出端7無信號光輸出，實現開關的斷開功能。

通過以上控制方法實現由一路泵浦光同時控制兩路信號光，使信號光輸出強度得到調諧，獲得開關功率低、調制速度快的光控光開關器件。

由于硫系玻璃光子晶體光纖在強泵浦脈沖光作用下由光學克爾效應引起的非線性折射率的改變是一個超快的過程，其速度能達到皮秒量級。因此，此開關可用于超高速光纖通信系統。

所述第一耦合器11與第一硫系玻璃基質微結構光纖8之間設置有第七耦合器18，該第七耦合器18具有兩個輸入端和一個輸出端，第七耦合器18的其中一個輸入端與第一耦合器11連接，另一個輸入端被定義成第二控制端20，外接有第二控制光源23。

所述第二耦合器12與第二硫系玻璃基質微結構光纖9之間設置有第八耦合器19，該第八耦合器19具有兩個輸入端和一個輸出端，第八耦合器19的其中一個輸入端與第二耦合器2連接，另一個輸入端被定義成第二控制端21，外接有第二控制光源24。

所述第七耦合器18、第八耦合器19采用3dB合路器。

利用前述的控制方法，第二控制光源23可以控制第一硫系玻璃基質微結構光纖8的折射率變化，第三控制光源24可以控制第二硫系玻璃基質微結構光釬9的折射率變化，加上前述第一控制光源22控制第三硫系玻璃基質微結構光纖10的折射率變化，從而實現同時或分別實現上行通斷和下行通斷。

另外，第五耦合器15和第六耦合器16采用WDM，由于WDM具有濾波功能，因此，無論實際應用中開啟了哪幾個控制光源，均可以被第五耦合器15和第六耦合器16濾除，本發明將第五耦合器15和第六耦合器16設置成WDM的目的也在于此。

從而，本發明將具有高非線性效應的硫系玻璃材料與能產生高非線性效應的光子晶體光纖技術相結合，實現了高速光控2×2光開關裝置，同時，將其作為基本單元實現n×n陣列，并且可以同時或分別實現上行通斷和下行通斷。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。