一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于光子晶體的全光二極管的單向光傳輸?shù)难b置，包括波長(zhǎng)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(gè)功率可調(diào)超短脈沖激光器，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；所述兩個(gè)功率可調(diào)超短脈沖激光器分別用于對(duì)直接耦合微腔、側(cè)邊耦合微腔泵浦；所述波長(zhǎng)調(diào)諧連續(xù)波激光器用于提供入射信號(hào)光。本實(shí)用新型可以通過(guò)對(duì)超短脈沖激光泵浦功率的調(diào)節(jié)來(lái)自由操控信號(hào)光通過(guò)的方向，并具有極高的正反向傳輸對(duì)比度及較大的工作帶寬。
【專利說(shuō)明】
一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型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(hào)光在一個(gè)方向通過(guò)，而在相反的方向則通過(guò)很少或者基本不通過(guò)，簡(jiǎn)言之，就是實(shí)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(gè)世界性的難題。正如傳統(tǒng)集成電路系統(tǒng)運(yùn)算功能需要電二極管這一基本元件一樣，全光信號(hào)運(yùn)算處理也離不開(kāi)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(shí)，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(chǔ)能力更大，信息處理能力更強(qiáng)。因此，在光計(jì)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(shí)現(xiàn)光的非互易性傳輸，其關(guān)鍵是要打破光傳輸?shù)臅r(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，這可借助磁光材料、非線性光學(xué)效應(yīng)等方式來(lái)實(shí)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)的Si基CMOS工藝不匹配，而且需要附加強(qiáng)磁場(chǎng)，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(qiáng)磁場(chǎng)，也不需要外部電信號(hào)調(diào)控，而是通過(guò)設(shè)計(jì)具有不對(duì)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(duì)微腔折射率進(jìn)行非對(duì)稱調(diào)控，從而實(shí)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(dāng)前全光二極管研究的主流方式。2012年，美國(guó)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(duì)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(shí)，獲得了27dB的正反向光傳輸對(duì)比度，但正向透射率卻很低，不到-30dB，而且?guī)挊O小，不超過(guò)0.0lnm。雖然Weiner和齊明浩等人提出通過(guò)“加熱”的方式對(duì)微腔諧振波長(zhǎng)進(jìn)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(duì)比度，同時(shí)又具有較高的正向透射率以及較大的工作帶寬，成為一個(gè)啓需解決的重要問(wèn)題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本實(shí)用新型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裝置，實(shí)現(xiàn)了全光二極管既具有超高的正反向傳輸對(duì)比度，同時(shí)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(duì)光的單向傳輸方向進(jìn)行自由切換。
[0007]本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]—種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置，包括波長(zhǎng)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(gè)功率可調(diào)超短脈沖激光器；
[0009]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；
[0010]所述兩個(gè)功率可調(diào)超短脈沖激光器分別用于對(duì)直接耦合微腔、側(cè)邊耦合微腔栗浦;所述波長(zhǎng)調(diào)諧連續(xù)波激光器用于提供入射信號(hào)光。
[0011]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)。
[0012]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(guò)在光子晶體上移除I行圓形介質(zhì)柱形成。
[0013]本實(shí)用新型的原理如下:當(dāng)一定功率和波長(zhǎng)(其波長(zhǎng)略大于側(cè)邊耦合微腔的諧振波長(zhǎng))的連續(xù)波信號(hào)光入射時(shí)，利用兩個(gè)功率可調(diào)超短脈沖激光分別對(duì)直接耦合微腔和側(cè)邊耦合微腔進(jìn)行栗浦。其中直接耦合腔充當(dāng)可變透射單元，而側(cè)邊耦合腔充當(dāng)可變反射單元。由于這兩個(gè)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(gè)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(dāng)直接耦合微腔處于高能量狀態(tài)時(shí)，微腔的諧振波長(zhǎng)將產(chǎn)生紅移，如果紅移后的諧振波長(zhǎng)與入射信號(hào)光波長(zhǎng)恰好相等，則信號(hào)光將以較高的透射率通過(guò)直接耦合腔;反之，當(dāng)直接耦合微腔處于低能量狀態(tài)時(shí)，則信號(hào)光由于失諧量較大而難以通過(guò)直接耦合腔。類似的，當(dāng)側(cè)邊耦合微腔處于高能量狀態(tài)時(shí)，如果微腔諧振波長(zhǎng)紅移后與入射信號(hào)光波長(zhǎng)恰好相等，則信號(hào)光將以很高的反射率被側(cè)邊耦合腔反射回去(此時(shí)側(cè)邊耦合腔相當(dāng)于一個(gè)高效的反射鏡)，從而透射被截止;反之，當(dāng)側(cè)邊耦合微腔處于低能量狀態(tài)時(shí)，則信號(hào)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(guò)側(cè)邊耦合微腔。這樣，通過(guò)選擇合適的脈沖栗浦功率，可使兩個(gè)微腔出現(xiàn)高能量態(tài)和低能量態(tài)的多種組合，從而實(shí)現(xiàn)全光二極管的正向高透或反向高透。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0015](I)本實(shí)用新型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。
[0016](2)本實(shí)用新型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(zhǎng)可以通過(guò)對(duì)微腔的形狀、尺寸的精細(xì)設(shè)計(jì)來(lái)自由操控，從而使得光二極管對(duì)信號(hào)光波長(zhǎng)具有更好的適用性。
[0017](3)本實(shí)用新型的全光二極管采用微納光子晶體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)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。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型的實(shí)施例的實(shí)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。
[0019]圖2為本實(shí)用新型的實(shí)施例的實(shí)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。
[0020]圖3為本實(shí)用新型的實(shí)施例的實(shí)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(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0022]實(shí)施例1
[0023]如圖1所示，本實(shí)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(PulsedLD)2、波長(zhǎng)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(zhǎng)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50X顯微物鏡10、反射鏡11、50 X顯微物鏡12 ο波長(zhǎng)可調(diào)諧連續(xù)波激光器3的工作波長(zhǎng)為λ = (1550 ± I )nm，超短脈沖激光器I?2的中心波長(zhǎng)為λ= (1550 ± 2 )nm，脈寬為200f s，重復(fù)頻率為350MHz。
[0024]如圖2所示，本實(shí)施例的基于光子晶體的全光二極管由16X 15的Si材料圓形介質(zhì)柱構(gòu)成正方晶格，沿xy平面排布，每根介質(zhì)柱的折射率為no = 3.4，高度(垂直于xy平面)h =2μπι，直徑d = 0.4a，其中a = 543nm為晶格常數(shù)?；诠庾泳w的全光二極管由前側(cè)光子晶體波導(dǎo)13、直接耦合微腔14、側(cè)邊耦合微腔15、傳輸波導(dǎo)16、后側(cè)光子晶體波導(dǎo)17組成。所述前側(cè)光子晶體波導(dǎo)13位于直接耦合微腔的左側(cè)14，后側(cè)光子晶體波導(dǎo)17位于側(cè)邊耦合微腔15的右側(cè);所述傳輸波導(dǎo)16位于直接耦合微腔14、側(cè)邊耦合微腔15之間。前側(cè)光子晶體波導(dǎo)13、傳輸波導(dǎo)16、后側(cè)光子晶體波導(dǎo)17均為WGl波導(dǎo)(由移去一行光子晶體介質(zhì)柱形成)，是信號(hào)光的傳輸通道。所述直接耦合微腔和側(cè)邊耦合微腔均為單模諧振腔，直接耦合微腔的諧振波長(zhǎng)大于比側(cè)邊耦合微腔的諧振波長(zhǎng)，差值為直接耦合微腔的腔模線寬的2倍，連續(xù)波激光器的工作波長(zhǎng)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(zhǎng)，所述連續(xù)波激光器的工作波長(zhǎng)與側(cè)邊耦合微腔的諧振波長(zhǎng)的差值為直接耦合微腔的腔模線寬的2.7倍。
[0025]本實(shí)施例的直接耦合微腔14為直徑d= 0.2a(a為光子晶體常數(shù))的圓形介質(zhì)柱，折射率為3.4，直接耦合微腔14的諧振波長(zhǎng)為1546nm，腔模線寬為1.4nm;側(cè)邊耦合微腔15為直徑d = 0.204a(a為光子晶體常數(shù))的圓形介質(zhì)柱，折射率為3.4，諧振波長(zhǎng)為154311111，腔模線寬為0.64nm;直接耦合微腔14與側(cè)邊耦合微腔15的中心水平距離為I = 7a。
[0026]本實(shí)施例的基于光子晶體的全光二極管實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)恼蚋咄付聪虻屯傅姆椒?，包括以下步驟:
[0027]第一步:開(kāi)啟功率可調(diào)超短脈沖激光器I和功率可調(diào)超短脈沖激光器2，將其功率分別調(diào)至18瓦和8瓦。功率可調(diào)超短脈沖激光器I經(jīng)顯微物鏡7準(zhǔn)直及反射鏡8的反射后，再經(jīng)顯微物鏡9聚焦后，垂直于xy平面對(duì)直接耦合微腔14進(jìn)行栗浦；與此同時(shí)，功率可調(diào)超短脈沖激光器2經(jīng)顯微物鏡10準(zhǔn)直及反射鏡11的反射后，再經(jīng)顯微物鏡12聚焦后，垂直于xy平面對(duì)側(cè)邊耦合微腔15進(jìn)行栗浦，借助于非線性Kerr效應(yīng)，直接耦合微腔14、側(cè)邊耦合微腔15的能量狀態(tài)分別進(jìn)行調(diào)控，使直接耦合微腔14處于高能量透射諧振態(tài)，而側(cè)邊耦合微腔15處于低能量反射失諧狀態(tài)。
[0028]第二步:開(kāi)啟波長(zhǎng)可調(diào)諧連續(xù)波激光器3，將其功率調(diào)至5毫瓦，并利用偏振片令波長(zhǎng)可調(diào)諧連續(xù)波激光器3的電場(chǎng)偏振均沿線性光子晶體介質(zhì)柱方向(即橫磁模，TM偏振)。如圖1所示，波長(zhǎng)可調(diào)諧連續(xù)波激光器3發(fā)出的信號(hào)光經(jīng)顯微物鏡5準(zhǔn)直及顯微物鏡6聚焦后沿2維線性光子晶體平面(S卩xy面)射入前側(cè)光子晶體波導(dǎo)13，依次通過(guò)直接耦合微腔14以及側(cè)邊耦合微腔15，并與它們依次發(fā)生光耦合作用。此時(shí)，在非線性Kerr效應(yīng)下，直接耦合微腔14將處于光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的高能量透射諧振態(tài)(即高透)，而側(cè)邊耦合微腔15將處于低能量反射失諧狀態(tài)(即低反高透)，故信號(hào)光將以較高的透射率通過(guò)直接耦合微腔14以及側(cè)邊耦合微腔15，由后側(cè)光子晶體波導(dǎo)17出射。
[0029]第三步:在圖1中系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，掉轉(zhuǎn)信號(hào)光的方向(如圖3所示)，使波長(zhǎng)可調(diào)諧連續(xù)波激光器3發(fā)出的信號(hào)光從后側(cè)光子晶體波導(dǎo)17入射(即反向入射)，先經(jīng)過(guò)側(cè)邊耦合微腔15再經(jīng)過(guò)直接耦合微腔14，使兩個(gè)腔的能量產(chǎn)生差異，在脈沖栗浦光的進(jìn)一步作用下，使得側(cè)邊耦合微腔15處于高能量諧振反射狀態(tài)(即高反低透)，而直接耦合微腔14處于低能量透射失諧狀態(tài)(即低透)，從而使得由后側(cè)向前側(cè)傳輸(即反向傳輸)的信號(hào)光的透射率極低。
[0030]這樣便可實(shí)現(xiàn)正向高透(大于80%)而反向低透(小于I %)，從而獲得極高的對(duì)比度(超過(guò)20dB)及較大的工作帶寬(約Inm) ο
[0031]實(shí)施例2
[0032]本實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)光傳輸反向高透而正向低透全光二極管除下述特征外，其余特征均與實(shí)施例1同。
[0033]將兩個(gè)功率可調(diào)超短脈沖激光器的功率分別調(diào)至20瓦和9瓦。
[0034]將波長(zhǎng)可調(diào)諧連續(xù)波激光器發(fā)出的信號(hào)光沿2維線性光子晶體平面(S卩xy面)射入基于光子晶體的全光二極管的前側(cè)線性光子晶體波導(dǎo)(即正向入射)，在非線性Kerr效應(yīng)下，直接耦合微腔和側(cè)邊耦合微腔都將處于高能量態(tài)。但由于此時(shí)側(cè)邊耦合微腔的諧振波長(zhǎng)紅移后與入射信號(hào)光波長(zhǎng)恰好相等，則信號(hào)光將以很高的反射率被側(cè)邊耦合微腔反射回去(此時(shí)側(cè)邊耦合微腔相當(dāng)于一個(gè)高效的反射鏡)，從而正向透射被截止。
[0035]而將連續(xù)波激光器發(fā)出的信號(hào)光由全光二極管系統(tǒng)的后側(cè)線性光子晶體波導(dǎo)入射時(shí)，在非線性Kerr效應(yīng)下，側(cè)邊耦合微腔將處于低能量反射失諧狀態(tài)(即低反高透)，而直接耦合微腔將處于光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的高能量透射諧振態(tài)(即高透)，故信號(hào)光將以較高的透射率向前側(cè)波導(dǎo)出射。
[0036]這樣便可實(shí)現(xiàn)反向高透(約85%)而正向低透(小于I %)，從而獲得極高的對(duì)比度(超過(guò)20dB)及較大的工作帶寬(約Inm) ο
[0037]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置，其特征在于，包括波長(zhǎng)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(gè)功率可調(diào)超短脈沖激光器； 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側(cè)，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； 所述兩個(gè)功率可調(diào)超短脈沖激光器分別用于對(duì)直接耦合微腔、側(cè)邊耦合微腔栗浦;所述波長(zhǎng)調(diào)諧連續(xù)波激光器用于提供入射信號(hào)光。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置，其特征在于，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)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子晶體的全光二極管單向光傳輸裝置，其特征在于，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(guò)在光子晶體上移除I行圓形介質(zhì)柱形成。
【文檔編號(hào)】H01S3/094GK205622040SQ201620233001
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年3月23日
【發(fā)明人】李潮, 王敏, 吳俊芳
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)