专利名称：分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于光子晶体集成器件领域，涉及二维光子晶体、光子晶体线缺陷波导、光子晶体分光器、光波相位差，具体涉及一种分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器。
背景技术：
1987年，美国Bell实验室的Yablonovitch和Princeton大学的John分别在研究如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域时，各自独立地提出了光子晶体的概念由不同介电常数的材料间隔周期排列而成的微结构，其晶格常数与工作光波的波长为
同一数量级。自光子晶体面世以来，对其的研究取得了很大的进展，光子晶体可以应用于制造高性能的反射镜、光子晶体光波导、发光二极管、波长滤波器、微谐振腔、光开光等各种光子晶体器件。近年来，光学逻辑器件的研究工作成为一个研究热点，一些基本的光学逻辑门已经成功地被发明和实现，进一步大规模逻辑功能的实现则需要用到脉冲发生器作为控制信号，本发明是一种对比度很高的全光单脉冲发生器。传统的光学单脉冲都是通过脉冲光源获得，例如调Q和锁模激光器，通过这种方法获得光学单脉冲需要使用体积较大的装置，而且耗能大。关键是这种类型的光学单脉冲发生器不利于集成，无法应用到集成光学逻辑器件中。本发明的光学单脉冲发生器是利用光子晶体中的光路实现的，它具有体积小、低耗能等优点，也易于实现集成。本发明的光学单脉冲发生器基于时间延迟原理和光的干涉原理。输入光进入波导后分成两束，两束光波经历的光程不相同，通过适当的改变结构和光程差，使两束光具有稳定的相位差，相干叠加后产生单脉冲。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构体积小、低耗能、易于集成的光学单脉冲发生器。解决本发明技术问题的技术方案是提供一种分光延迟干涉相消式光子晶体超短单脉冲光发生器，其包含在二维光子晶体中的一个光子晶体输入波导，所述输入波导分别与第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导连接；所述第一光子晶体弯曲波导、 第二光子晶体弯曲波导与光子晶体输出波导连接。所述的二维光子晶体由硅或其它高折射率介质杆在空气或其它低折射率背景介质中呈二维周期性排列构成，该光子晶体的光子禁带覆盖了工作波长的值，优选地，低折射率介质材料取为空气，高折射率介质取为硅，周期结构光子晶体的晶格常数取为a μ m，介质杆的半径取为O. 18a μ m,工作波长取为2. 984a μ m。所述光子晶体输入波导、第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导和光子晶体输出波导为光子晶体线缺陷波导，波导中传输的光波的波长位于波导两侧的光子晶体的光子禁带波长范围内。
所述的光子晶体输入波导或光子晶体输出波导的长度不小于3个晶格周期或晶格常数，第一光子晶体弯曲波导的长度不小于12个晶格周期或晶格常数，第二光子晶体弯曲波导的长度大于第一光子晶体弯曲波导的长度。所述的第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导的光程相位差值的最佳值为H的奇数倍，即第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导的光程长度差为半波长的奇数倍。所述波导结构中产生的单脉冲的脉宽为该结构中的第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导的相位差除以工作圆频率，即为(2m+l) π/ω，其中m为自然正整数，ω 为工作波长圆频率。本发明与现有技术相比的有益效果是I.结构体积小、低耗能、易于实现大规模逻辑光路集成；2.该单脉冲发生器在微小光学逻辑集成芯片中具有广泛应用价值。
本发明的分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器的典型结构如图I、图4所示，它由两个具有光程差的波导结构组成，端口 I为输入，端口 2为输出端，波导3和波导4 具有稳定的光程差。对于上述单脉冲发生器结构，波导3和波导4的光程差有一个最优值， 即为半波长的奇数倍，以获得较好的单脉冲。图I是实施I的分光延迟干涉相消式光子晶体超短单脉冲光发生器的结构示意图，其中空白部分为空气，实心圆点为介质杆，线形空白缺陷为光波导，端口 I为输入端，端口 2为输出端，线形空白3和4为光波导。图2是实施例I的最后稳态光场分布。图3是实施例I的输出端口的光波的电场幅度的平方的时域响应波形曲线。图4是实施例2的分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器，其中空白部分为空气，实心圆点为介质杆，线形空白缺陷为光波导，端口 I为输入端，端口 2为输出端，线形空白3和4为光波导。图5是实施例2的输出端口的光波的电场幅度的平方的时域响应波形曲线。图6是实施例3的分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器的结构示意图，其中空白部分为空气，实心圆点为介质杆，线形空白缺陷为光波导，端口 I为输入端，端口 2为输出端，线形空白3和4为光波导。图7是实施例3的分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器的输出端口的光的电场幅度的平方随时间变化的曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的描述。本发明由基于二维光子晶体线缺陷的具有稳定光程差的波导结构组成。参照图1， 单脉冲发生器由在空气中周期性排列的介质柱组成。其中的圆点为线性高折射率介质柱， 优选地，低折射率材料(空白部分)为空气，高折射率介质选为硅材料，其折射率取为3. 51。 以下的具体实施方式
中，取空气的折射率为1，另取光子晶体的晶格常数a为Ιμπκ线性高折射率介质柱的半径为O. 18 μ m、工作波长为2. 984 μ m。对于光通信中光波波长为I. 55 μ m,根据麦克斯韦方程解的伸缩不变性原理，将结构的几何尺寸和结构中的所有元素的几何尺寸做相同系数的缩放，同时将波长做等比例缩放，则解的形式不变。将工作波长由2. 984 μ m变为I. 55 μ m的缩小系数为2. 984/1. 55 =
I.92516，为了使结构能在这个工作波长处工作，则需要将晶格常数变为I μ m/1. 92516 = O. 5194 μ m,将介质杆的半径变为 O. 18 μ m/1. 92516 = O. 0935 μ m。具体实施例I如图I所示，在空气背景中让介质柱21X21四角晶格排布阵列，在其中移除一些介质杆，在端口 I处设置一段光波导，然后把光波分成2束，让光波沿波导3 和波导4继续传输,最后在端口 2相干叠加输出。由于波导两侧的介质杆只是起约束波的传播的作用，一般情况下，有三排介质杆已经有相当好的约束作用，因此图I所示的结构中， 左边最多还可以去掉2列介质杆，右边最多还可以去掉4列介质杆，下边最多还可以去掉I 行介质杆。同样的道理，波导壁加厚对图I所示结构的影响也比较小，故可以在图I所示结构的上下两侧可以增加任意行的介质杆，在其左右两侧增加任意列的介质杆。但是在左右侧增加介质杆时，要保持左端输入波导和右端输出波导的扩展，即不能阻断波的输入通路和波的输出通路。适当调节波导3和波导4的形状以及长度(如图I)，使2束光波再次相遇时具有强度相当、光程差为半波长的奇数倍，即光程相位差为η的奇数倍。其工作过程如下当一束光波从端口 I入射时，在靠近端口 I的波导分叉处，分别有等量幅度的光波向上波导3和向下波导4传播；波导3的长度小于波导4的长度，这两个波导长度的差导致其中传播的两个波到达输出端口 2时存在一个相位差，通过设计波导3和4的长度差使该相位差为π的奇数倍；在小于光从端口 I经波导3到达端口 2的时间段h内，输出端的光波信号幅度为O ;在大于h，但小于光从端口 I经波导4到达端口 2的时间t2内输出端口 2 有光输出，幅度较大；在大于t2时刻起，两路相位差为Ji的光波输出端2叠加，输出变为0， 从而完成单脉冲的形成过程。考虑到波导对光有一定的约束和存储作用，波导中光的建立和消失均需要经历一个过渡过程，即输出端得到的波形是尖顶，而不是平顶的。本发明的光学单脉冲发生器基于时间延迟原理和光的干涉原理。输入光进入波导后分成两束，两束光波经历的光程不相同，通过适当的改变结构和光程差，使两束光具有稳定的相位差，相干叠加后产生单脉冲。以上工作过程基于的机理是，⑴延迟原理当输入端I无输入信号时，输出为0， 当输入端I有输入光，波导4中的光尚未到达输出端时,输出端仅有来自于波导3过来的光；(2)干涉相消原理当输入端I有输入光，波导3和波导4的光都传播到了输出端口以后，由于这两路光反相，输出变为O，此后输出维持O信号，如此完成了一个单脉冲的形成过程。数字模拟结果证实，该结构能产生单脉冲。在输入端施加一个连续波的情况下，数字模拟的结果如图2和图3所示，其中图2是图3所示的时间轴末端，即ct = IOOOym时图I所示结构的场分布图，其中为了简化，只画出了场强大于O且小于I的区域的场分布。 图3给出的模拟结果证明，该结构确实能产生半功率宽度为70. 50飞秒的单次超短单脉冲。图4是实施例2，所用的材料与实施例I中的相同。实施例2与实施例I的差别在于波导3和波导4的长度及形状有所变化。但是，在实施例2中，波导3和4的光程相位差还满足半波长的奇数倍，即光程相位差还为η的奇数倍。图5是在输入端施加一个连续光信号情况下，数字模拟得到的输出端光信号时间波形图。图5显示，图4的结构能获得半功率宽度为93飞秒的单次超短脉冲。图6是实施例3，所用的材料与实施例I中的相同。实施例3与实施例I的差别在于波导3和波导4的长度有所变化。但是，在实施例3中，波导3和4的光程相位差还满足半波长的奇数倍，即光程相位差还为η的奇数倍。图7是在输入端施加一个连续光信号情况下，数字模拟得到的输出端光信号时间波形图。图7显示，图6的结构能获得半功率宽度为72. 67飞秒的单次超短脉冲。在模拟时，相对于图I和图4，输入功率增加了 3倍。以上所述本发明在具体实施方式
及应用范围均有改进之处，不应当理解为对发明的限制。
权利要求
1.一种分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器，其特征在于包含在二维光子晶体中的一个光子晶体输入波导，所述输入波导分别与第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导连接；所述第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导与光子晶体输出波导连接。
2.根据权利要求I所述的分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器，其特征在于， 所述的二维光子晶体由硅或其它高折射率介质杆在空气或其它低折射率背景介质中呈二维周期性排列构成，该光子晶体的光子禁带覆盖了工作波长的值，优选地，低折射率介质材料取为空气，高折射率介质取为硅，周期结构光子晶体的晶格常数取为a μ m，介质杆的半径取为O. 18a μ m,工作波长取为2. 984a μ m。
3.根据权利要求I所述的分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器，其特征在于， 所述光子晶体输入波导、第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导和光子晶体输出波导为光子晶体线缺陷波导，波导中传输的光波的波长位于波导两侧的光子晶体的光子禁带波长范围内。
4.根据权利要求3所述的分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器，其特征在于， 所述的光子晶体输入波导或光子晶体输出波导的长度不小于3个晶格周期或晶格常数，第一光子晶体弯曲波导的长度不小于12个晶格周期或晶格常数，第二光子晶体弯曲波导的长度大于第一光子晶体弯曲波导的长度。
5.根据权利要求I所述的分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器，其特征在于， 所述的第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导的光程相位差值的最佳值为η的奇数倍，即第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导的光程长度差为半波长的奇数倍。
6.根据权利要求I所述的分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器，其特征在于， 所述波导结构中产生的单脉冲的脉宽为该结构中的第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导的相位差除以工作圆频率，即为(2m+l) π/ω，其中m为自然正整数，ω为工作波长圆频率。
全文摘要
本发明公开了一种分光延迟干涉光子晶体超短单脉冲光发生器，它包含在二维光子晶体中的一个光子晶体输入波导，所述输入波导分别与第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导连接；所述第一光子晶体弯曲波导、第二光子晶体弯曲波导与光子晶体输出波导连接。本发明的发生器结构体积小、低耗能、易于实现大规模逻辑光路集成，该单脉冲发生器在微小光学逻辑集成芯片中具有广泛应用价值。
文档编号G02F1/365GK102591094SQ20121003970
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日
发明者刘可风, 欧阳征标, 程峰 申请人:深圳大学