本發明屬于腔量子電動力學技術領域，涉及一種全光開關，具體地說，涉及一種基于光波導單側耦合微腔陣列的全光開關。

背景技術：

全光開關不僅在經典全光網絡中起著關鍵性的作用，而且在未來的量子計算機和量子通信網絡中也扮演著重要的角色。因此，獲得益于光網絡集成的小體積、高開關速率、低消光比的全光光開關成為現今多個研究組的重點研究課題。例如由蘇格蘭圣安德魯大學日前研制的基于定向耦合器的光開關成為目前世界上最小的光開關，并有望集成于CMOS電子元件中。在量子信息和量子計算領域中，相應的量子光開關技術更成為最前沿的研究熱門,如目前由加州理工學院的兩個小組分別采用束縛在微腔中的單個量子點來建立光子-光子相互作用的量子點光開關。

量子點與半導體納米光學微腔耦合系統是近幾年腔量子電動力學的研究熱點。由于納米固態微腔的可集成性和加之近幾年納米加工技術和半導體加工技術的進一步提高，人們可以設計制造出品質因子更高、模體積更小的微腔，這使基于量子點和半導體微腔耦合系統的腔量子電動力學方案成為實現量子計算機的最有前途的方案之一。有研究者已經用量子點和半導體微腔耦合系統實現了用于量子計算的邏輯門。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于光波導單側耦合微腔陣列的全光開關。首先用腔量子電動力學理論比較詳細地分析了光波導單側耦合微腔陣列系統的光學傳輸特性及其反射波與入射波的位相關系。隨后，根據分析結果提出了一種全光光開結構模型。該光開關的特點是不僅能很好地實現光開關的功能，而且在所有微腔內都沒有量子點，即裸腔，這點不同與現有的研究工作。最后，還詳細地分析了信號光的透射率與微腔數目及微腔耗散系數的關系，這為進一步優化設計制造此類型光開關提供了理論依據和方法指導。

其具體技術方案為：

一種基于光波導單側耦合微腔陣列的全光開關，其結構為：三個非直接耦合的具有相同諧振頻率的微腔分別與光波導耦合，并假定三個微腔具有相同的耗散系數k₀，耗散系數k₁和k₂分別選定為：k₁＝1，k₂＝25k₁，k₀＝6k₁，用作目標光信號，作控制光信號，當C2端無控制光輸入時，能以0.72的透射率透過；當C2端有控制信號光輸入時，的透射率降為0，即被完全阻擋，實現了光的開關功能。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

本發明是一種結構簡單且能有效地實現對光的開關功能的干涉型光開關器件。本發明所討論的理論模型，可在光子晶體中引入點缺陷和線缺陷來實現，也可用光纖與微盤或與微球耦合來實現。

附圖說明

圖1是模型單元圖；

圖2是系統的輸出特性，其中圖2(a)反射譜和圖2(b)反射光相移；

圖3是無控制光時透射譜；

圖4是有控制光時透射譜；

圖5是信號光透射率隨微腔數目的變化；

圖6是信號光透射率隨微腔耗散系數的變化。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案作進一步詳細地說明。

1模型和理論分析

圖1是本發明要考慮的光纖單側耦合微腔系統的結構模型。為了清楚說明，本發明只畫出了一個與光波導耦合的微腔，可視為有多個微腔參與耦合時的一個基本單元。假定此微腔為單模腔，其諧振頻率為ω₀。k₀是微腔不計與波導耦合時的耗散系數，與微腔品質因子Q₀的關系為：k₁，k₂是微腔由于與波導耦合而引起的耗散系數。每個微腔通過k₁，k₂與波導耦合，而它們間非直接耦合。是從波導兩端入射的光波流算符，是從波導兩端輸出的光波流算符。在弱激發條件下，微腔腔模湮滅算符a(t)的朗之萬運動方程為：

經計算得耦合系統的輸入輸出關系為：

其中T₁為只有一個微腔耦合時的傳輸矩陣，

若考慮光波導與n個微腔耦合，

有關系T＝T_nT₀T_n-1T₀....T₀T₁，T_i(i＝1,2…n)為對應于第i個微腔單元的傳輸矩陣，

本發明定義系統的反射系數為：其中R為反射率，φ為反射波相對于入射波的相移。同樣定義系統透射系數為：T為透射率。這兩個定義同樣使用于有單個或多個微腔耦合于波導的情形。

先考慮只有一個微腔與波導耦合，并選定用k₁歸一化的耗散系數(單位：THz)：k₂＝k₁＝1,k₀＝0.005k₁。設輸入光波信號僅有由式(2)計算得系統的輸出特性如圖2所示。

圖2(a)給出了入射光反射率與失諧量的關系，在共振處有一尖銳的反射峰，反射率為1，反射峰的半高全寬度約為0.005k₁。當入射光波與微腔有較大失諧時，反射率降為0，系統對入射光透明。由圖2(b)得知，入射光與微腔在很小的失諧范圍外，反射光即可獲得π位相移。

2全光開關設計

本發明根據上面分析的結果提出了一種全光光開關，其結構為：三個非直接耦合的具有相同諧振頻率的微腔分別與光波導耦合，并假定三個微腔具有相同的耗散系數k₀，耗散系數k₁和k₂分別選定為：k₁＝1，k₂＝25k₁，k₀＝6k₁。用作目標光信號，作控制光信號。其開關特性如圖3、圖4所示。當C2端無控制光輸入時(圖3)，能以0.72的透射率透過；當C2端有控制信號光輸入時(圖4)，的透射率降為0，即被完全阻擋，實現了光的開關功能。分析其物理機制為：在本發明如上描述的結構參數情況下，微腔對波導兩側的耗散非對稱(k₂＝25k₁)，故該系統可以視為是基于非對稱耦合的光器件。從C1輸入的光波能以透射率0.72透過系統，而從C2入射的光波則以反射率0.72被微腔反射，并且同時獲得了π位相，兩束具有π位相差的光波疊加干涉相消，使C2端無光信號輸出。所以此光開關為干涉型全光光開光，光開關的時序關系如圖5所示。

3光開關優化設計

下面本發明進一步分析耦合系統的透射率與耦合微腔的數目及微腔自身的耗散系數的關系，以便獲得優化設計的光開關模型結構。首先，設定入射光與微腔諧振，仍選k₁＝1，k₂＝25k₁，k₀＝6k₁，得透射率與耦合微腔個數的關系如圖6。從中可以看出，當有三個微腔與波導耦合，在沒有控制光輸入時，信號光有0.72的透射率；而當有控制光輸入時，信號光的透射率降為最小值0，可以獲得較有效的開關效率。其次，本發明分析腔的耗散系數對信號光透射率的影響。選擇三個微腔與波導耦合，k₁＝1，

k₂＝25k₁，得其關系如圖6。從圖6可以看到，在微腔的耗散系數約為5k₁，在沒有控制光時，信號光的透射率約為0.68，有控制光輸入時，信號光的透射率降為0。綜合上述分析，本發明可以優化設計給出一種光開關結構：共三個微腔與波導耦合，其參數可選定為：k₁＝1，k₂＝25k₁，k₀＝6k₁，也就是本發明在2小節中所述光開關采用的參數。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，本發明的保護范圍不限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可顯而易見地得到的技術方案的簡單變化或等效替換均落入本發明的保護范圍內。