一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及全光非互易光傳輸技術(shù)，特別涉及基于一種光子晶體的全光二極管單向光傳輸方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]全光二極管是一種重要的微納光學(xué)器件，其非互易結(jié)構(gòu)使信號光在一個方向通過，而在相反的方向則通過很少或者基本不通過，簡言之，就是實現(xiàn)光的單向傳輸。然而，高性能全光二極管的研制是微納集成光子學(xué)領(lǐng)域的一個世界性的難題。正如傳統(tǒng)集成電路系統(tǒng)運算功能需要電二極管這一基本元件一樣，全光信號運算處理也離不開能使得光子滿足非互易傳輸?shù)膯卧?，即所謂的全光二極管。與此同時，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，要求信息傳遞的速度更快，信息存儲能力更大，信息處理能力更強。因此，在光計算、光互聯(lián)和超快速信息處理等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用前景。
[0003]為實現(xiàn)光的非互易性傳輸，其關(guān)鍵是要打破光傳輸?shù)臅r間反轉(zhuǎn)對稱性，這可借助磁光材料、非線性光學(xué)效應(yīng)等方式來實現(xiàn)。在這些方式中，基于磁光材料的光二極管是研究得最早、最為廣泛的，國內(nèi)外學(xué)者已在此方面取得了豐碩的成果。但這種光二極管存在一些難以克服的困難，例如，它所使用的材料和制作工藝與標準的Si基CMOS工藝不匹配，而且需要附加強磁場，因此很難適合光子芯片集成。
[0004]相比之下，基于非線性光學(xué)效應(yīng)的光二極管既不需要外加強磁場，也不需要外部電信號調(diào)控，而是通過設(shè)計具有不對稱結(jié)構(gòu)的微腔-波導(dǎo)系統(tǒng)，借助非線性光學(xué)效應(yīng)對微腔折射率進行非對稱調(diào)控，從而實現(xiàn)光的非互易傳輸。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)全光操控，而且適合于半導(dǎo)體CMOS工藝的光子芯片集成，是當前全光二極管研究的主流方式。2012年，美國科學(xué)院院士 Weiner及普度大學(xué)的齊明浩教授提出了一種非對稱的Si基微環(huán)諧振腔-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在入射功率為2.1毫瓦時，獲得了27dB的正反向光傳輸對比度，但正向透射率卻很低，不到-30dB，而且?guī)挊O小，不超過0.0lnm。雖然Weiner和齊明浩等人提出通過“加熱”的方式對微腔諧振波長進行調(diào)節(jié)以增大帶寬，但這既不利于光子芯片集成，也不利于光二極管的高速響應(yīng)。
[0005]因此，如何在較低的入射光功率下，使光二極管既具有超高的正反向傳輸對比度，同時又具有較高的正向透射率以及較大的工作帶寬，成為一個啓需解決的重要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸方法，實現(xiàn)了全光二極管既具有超高的正反向傳輸對比度，同時又具有較高的正向(或反向)透射率以及較大的工作帶寬，并且能對光的單向傳輸方向進行自由切換。
[0007]本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]—種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸方法，包括以下步驟:
[0010]第一步:采用兩束超短脈沖激光分別對基于光子晶體的全光二極管的直接耦合微腔及側(cè)邊耦合微腔進行栗浦，對直接耦合微腔及側(cè)邊耦合微腔的能量狀態(tài)進行調(diào)控，進而通過對其諧振波長進行調(diào)控，使直接耦合微腔、側(cè)邊耦合微腔處于諧振或失諧狀態(tài)；
[0011 ]第二步:頻率位于光子晶體帶隙范圍內(nèi)的連續(xù)波信號光從前側(cè)光子晶體波導(dǎo)或后側(cè)光子晶體波導(dǎo)入射，在脈沖栗浦光的作用下并借助非線性Kerr效應(yīng)，直接耦合微腔、側(cè)邊耦合微腔出現(xiàn)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)全光二極管的單向光傳輸:
[0012]實現(xiàn)信號光的正向傳輸而反向截止:頻率位于光子晶體帶隙范圍內(nèi)的連續(xù)波信號光從前側(cè)光子晶體波導(dǎo)入射，依次通過直接耦合微腔以及側(cè)邊耦合微腔，并依次與直接耦合微腔以及側(cè)邊耦合微腔發(fā)生光耦合作用；在脈沖栗浦光的作用下，直接耦合微腔處于透射諧振狀態(tài)，而側(cè)邊耦合微腔處于反射失諧狀態(tài)，信號光通過直接耦合微腔以及側(cè)邊耦合微腔，向后側(cè)光子晶體波導(dǎo)出射;而當連續(xù)波信號光從后側(cè)光子晶體波導(dǎo)入射時，將先經(jīng)過側(cè)邊耦合微腔再經(jīng)過直接耦合微腔，使兩個腔的能量產(chǎn)生差異，在脈沖栗浦光的進一步作用下，使得側(cè)邊耦合微腔處于反射諧振狀態(tài)，而直接耦合微腔處于低能量透射失諧狀態(tài)，從而使得信號光由后側(cè)向前傳輸被截止；
[0013]實現(xiàn)信號光的反向傳輸而正向截止:分別改變兩束超短脈沖激光的功率，以對直接耦合微腔及側(cè)邊耦合微腔的能量及諧振狀態(tài)進行調(diào)整，使得信號光正向傳輸時，側(cè)邊耦合微腔處于反射諧振態(tài)，從而正向光傳輸被截止;而信號光反向傳輸時，側(cè)邊耦合微腔將處于反射失諧狀態(tài)，而直接耦合微腔將處于光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的透射諧振態(tài)，故信號光得以向前側(cè)光子晶體波導(dǎo)出射，從而實現(xiàn)信號光的反向傳輸而正向截止。
[0014]所述直接耦合微腔和側(cè)邊耦合微腔均為單模諧振腔。
[0015]所述直接耦合微腔的諧振波長大于比側(cè)邊耦合微腔的諧振波長，差值為直接耦合微腔的腔模線寬的2倍。
[0016]所述連續(xù)波激光器的工作波長位于光子晶體帶隙范圍內(nèi)，且大于側(cè)邊耦合微腔的諧振波長，所述連續(xù)波激光器的工作波長與側(cè)邊耦合微腔的諧振波長的差值為直接耦合微腔的腔模線寬的2.7倍。
[0017]—種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置，包括波長調(diào)諧連續(xù)波激光器、基于光子晶體的全光二極管及兩個功率可調(diào)超短脈沖激光器；
[0018]所述基于光子晶體的全光二極管，由前側(cè)光子晶體波導(dǎo)、直接耦合微腔、側(cè)邊耦合微腔、傳輸波導(dǎo)、后側(cè)光子晶體波導(dǎo)組成；所述前側(cè)光子晶體波導(dǎo)位于直接耦合微腔的左偵U，后側(cè)光子晶體波導(dǎo)位于側(cè)邊耦合微腔的右側(cè);所述傳輸波導(dǎo)位于直接耦合微腔、側(cè)邊耦合微腔之間；
[0019]所述兩個功率可調(diào)超短脈沖激光器分別用于對直接耦合微腔、側(cè)邊耦合微腔栗浦;所述波長調(diào)諧連續(xù)波激光器用于提供入射信號光。
[°02°]所述光子晶體由Si材料圓形介質(zhì)柱構(gòu)成正方晶格，所述介質(zhì)柱的直徑為0.4a;所述直接耦合微腔由直徑為0.2a的圓形介質(zhì)柱構(gòu)成;所述側(cè)邊耦合微腔由直徑為0.204a圓形介質(zhì)柱構(gòu)成;直接耦合微腔與側(cè)邊耦合微腔的中心水平距離為7a;其中a為光子晶體的晶格常數(shù)。
[0021]所述前側(cè)光子晶體波導(dǎo)、傳輸波導(dǎo)、后側(cè)光子晶體波導(dǎo)均通過在光子晶體上移除I行圓形介質(zhì)柱形成。
[0022]本發(fā)明的原理如下:當一定功率和波長(其波長略大于側(cè)邊耦合微腔的諧振波長)的連續(xù)波信號光入射時，利用兩個功率可調(diào)超短脈沖激光分別對直接耦合微腔和側(cè)邊耦合微腔進行栗浦。其中直接耦合腔充當可變透射單元，而側(cè)邊耦合腔充當可變反射單元。由于這兩個微腔都是非線性的，在合適的脈沖栗浦功率下，借助非線性Kerr效應(yīng)可使得這兩個微腔出現(xiàn)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，即高能量態(tài)和低能量態(tài)。當直接耦合微腔處于高能量狀態(tài)時，微腔的諧振波長將產(chǎn)生紅移，如果紅移后的諧振波長與入射信號光波長恰好相等，則信號光將以較高的透射率通過直接耦合腔;反之，當直接耦合微腔處于低能量狀態(tài)時，則信號光由于失諧量較大而難以通過直接耦合腔。類似的，當側(cè)邊耦合微腔處于高能量狀態(tài)時，如果微腔諧振波長紅移后與入射信號光波長恰好相等，則信號光將以很高的反射率被側(cè)邊耦合腔反射回去(此時側(cè)邊耦合腔相當于一個高效的反射鏡)，從而透射被截止;反之，當側(cè)邊耦合微腔處于低能量狀態(tài)時，則信號光由于失諧量較大而被反射極小，從而以較高的透射率通過側(cè)邊耦合微腔。這樣，通過選擇合適的脈沖栗浦功率，可使兩個微腔出現(xiàn)高能量態(tài)和低能量態(tài)的多種組合，從而實現(xiàn)全光二極管的正向高透或反向高透。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0024](I)本發(fā)明的全光二極管利用直接耦合腔和側(cè)邊耦合腔的光學(xué)雙穩(wěn)效應(yīng)，其雙穩(wěn)區(qū)間帶寬較大，從而可以獲得比現(xiàn)有非線性全光二極管更大的工作帶寬。
[0025](2)本發(fā)明的全光二極管的直接耦合微腔和側(cè)邊耦合微腔的諧振波長可以通過對微腔的形狀、尺寸的精細設(shè)計來自由操控，從而使得光二極管對信號光波長具有更好的適用性。
[0026](3)本發(fā)明的全光二極管采用微納光子晶體結(jié)構(gòu)，簡約緊湊，可使用硅等半導(dǎo)體材料制作，易于與其他光子器件集成。
[0027](4)本發(fā)明的全光二極管實現(xiàn)單向光傳輸?shù)姆椒?，通過對超短脈沖激光栗浦功率的調(diào)節(jié)來自由操控信號光通過的方向，既可使其正向高透，又可使其切換至反向高透，因而比現(xiàn)有的全光二極管具有更高的靈活性和自由度，在未來全光微系統(tǒng)設(shè)計中(例如光子計算機，光子芯片等)將有重要的應(yīng)用價值。
[0028](5)本發(fā)明的全光二極管實現(xiàn)單向光傳輸?shù)姆椒ㄍㄟ^選擇合適的脈沖栗浦功率，使直接耦合腔和側(cè)邊耦合腔處于光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)，從而可以獲得比其他光二極管更高的對比度以及正向(或反向)透射率。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明的實施例的實現(xiàn)光傳輸正向高透而反向低透的基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置的組成示意圖。
[0030]圖2為本發(fā)明的實施例的實現(xiàn)光傳輸正向高透而反向低透的基于光子晶體的全光二極管的示意圖。
[0031]圖3為本發(fā)明的實施例的實現(xiàn)光傳輸反向高透而正向低透的基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置的組成示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0033]實施例1
[0034]如圖1所示，本實施例的基于光子晶體的全光二極管的單向光傳輸裝置包括功率可調(diào)超短脈沖激光器(Pulsed LD) 1、功率可調(diào)超短脈沖激光器(Pulsed LD)2、波長可調(diào)諧連續(xù)波激光器(CW LD)3、基于光子晶體的全光二極管4，波長可調(diào)諧連續(xù)波激光器3與基于光子晶體的全光二極管的前側(cè)光子晶體波導(dǎo)13之間依次設(shè)有50 X顯微物鏡5、50 X顯微物鏡6;功率可調(diào)超短脈沖激光器I與基于光子晶體的全光二極管的直接耦合微腔14之間沿光路方向依次設(shè)有50 X顯微物鏡7、反射鏡8、50 X顯微物鏡9 ；功率可調(diào)超短脈沖激光器2與基于光子晶體的全光二極管的側(cè)邊耦合微腔15之間沿光路方向依次設(shè)有50 X顯微物鏡10、反射鏡11、50 X顯微物鏡12 ο波長可調(diào)諧連續(xù)波激光器3的工作波長為λ= (1550 ± I) nm，超短脈沖激光器I