一种基于热极化光纤环形腔的非平衡Mach-Zehnder光开关的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电子器件领域，具体地讲是一种基于热极化光纤环形腔的非平衡 Mach-Zehnder开关。
【背景技术】
[0002] 石英玻璃材料因其宏观反演对称性结构，不具有二阶以及其他偶数阶光学非线 性效应，限制了其在光电子器件领域的发展。石英玻璃材料可以通过热极化技术诱导出 二阶非线性（''Largesecond-ordernonlinearityinpoledfusedsilica,''OpticsLe tters，vol. 16，pp. 1732-1734, 1991)，即在高温（250~320°C)以及样品两端施加高电 压（3~5kV)，样品内的载流子脱离晶格束缚并在电场作用下迀移，热极化一段时间后， 关闭外加电压并将温度冷却至室温，阳极表面下形成耗尽层，耗尽层内诱导形成记录电场 Erec("Modelingofthex(2)susceptibilitytime-evolutioninthermallypoledfused silica,"OpticsExpress，vol.l3，pp.8015-8024,2005)。二阶非线性极化率x⑵= x(3)，x(3)为石英玻璃材料固有的三阶光学非线性极化率。
[0003] 热极化技术即可应用于体石英玻璃材料，也可应用于石英玻璃光纤。热 极化光纤一般为双孔光纤，在纤芯两侧制作与纤芯平行的两个电极孔，以将电极内 置到双孔中（''SilicaFiberPolingTechnology,''AdvancedMaterials,vol. 13, pp. 1014-1018, 2001)。目前，热极化体石英玻璃的x(2)典型值为lpm/V，而由于光纤尺寸 较小，电极间距短，热极化石英玻璃光纤的x(2)典型值为〇.2pm/V。尽管热极化所诱导的 二阶非线性系数相较于铁电晶体低很多，但是这种非线性作用可以通过增大作用距离来 弥补，这对于热极化光纤很容易实现。另外，与铁电晶体材料相比，热极化光纤损耗低，熔 接损耗小，易于集成且制作成本低。目前，热极化光纤已成功应用于电光开关（"Systems measurementsof2X2poledfiberswitch，〃IEEEphotonicstechnologyletters,v ol.l7，pp. 2571-2573,2005)、调制器，二次谐波产生（''Greaterthan20%-efficient frequencydoublingof1532-nmnanosecondpulsesinquasi-phase-matched germanosilicateopticalfibers，''OpticsLetters，vol. 24,pp. 208-210, 1999)，THz 产生（''FrequencyTunableContinuousTHzWaveGenerationinaPeriodically PoledFiber，''IEEETransactionsonTerahertzScienceandTechnology,vol. 5PP，pp. 470-477, 2015)，纠缠态光子对产生（''Proposalforin-fibergeneration oftelecom-bandpolarization-entangledphotonpairsusingaperiodically poledfiber，"Opticsletters，vol. 34,pp. 2138-2140, 2009)，光纤激光器（"All-fiber electroopticalmode-lockingandtuning，''PhotonicsTechnologyLetters，IEEE，vol. 17,pp. 2047-2049,2005)中。目前的热极化光纤电光开关，多基于Mach-Zehnder干涉仪结 构（"Systemsmeasurementsof2X2poledfiberswitch，"IEEEphotonicstechnology letters，vol. 17,pp. 2571-2573, 2005)，Michelson干涉仪结构（"Integratedfiber Michelsoninterferometerbasedonpoledhollowtwin-corefiber,"OpticsLetters,vol. 36,pp. 2435-2437, 2011)或Sagnac环结构（"Electro-opticalfibermodulationin aSagnacinterferometer,''OpticsLetters,vol. 32,pp. 1356-1358, 2007)，尽管此类结构 都利用了较长的热极化光纤，而由于热极化诱导二阶非线性系数较小，所需开关电压V"仍 然较大。降低V"对于热极化光纤电光开关的实际应用是非常有必要的。
[0004] 光纤环形谐振器是一种由光纤连接而成的环形结构，入射到直波导的信号 光经过耦合器时，部分光功率耦合进入环形腔，同时环形腔内的信号光在经过耦合 器时不分光功率親合进入直波导（〃All-single_modefiberresonator,"Optics Letters,vol. 7,pp. 288-290, 1982)。因其成本低，损耗低、串扰低等特点，被广泛应用与光 信号处理、滤波、复用解复用、调制、开关、激光器中。而由于石英玻璃光纤无二阶非线性效 应，基于光纤环形谐振器的器件大都无调谐性能。
【发明内容】
[0005] 本发明结合热极化光纤诱导的二阶非线性效应，利用光纤环形腔的谐振特性，发 明一种基于热极化光纤环形腔的非平衡Mach-Zehnder光开关。当外加电压施加到热极化 光纤时，热极化光纤光传输模式有效折射率会随着外加电压变化，从而改变Mach-Zehnder 两臂之间的相位差，引起输出端口功率变化，实现开关功能。环形腔的特殊结构可增大相位 变化，从而增大Mach-Zehnder两臂的相位差，降低开关电压。
[0006] 本发明的技术方案：
[0007] -种基于热极化光纤环形腔的非平衡Mach-Zehnder光开关，特征在于：非平衡 Mach-Zehnder光开关包括，2X2 3dB耦合器ri，2X2耦合器r2，热极化光纤，2X2 3dB耦合 器r3;具体连接方式为：
[0008] 2X2 3dB耦合器n第一输出端接2X2 3dB耦合器r3第一输入端，2X2 3dB耦合 器第二输出端接2X2親合器r2第一输入端，2X2親合器r2第一输入出端接2X2 3dB 耦合器r3第二输入端，2X2耦合器r2第二输入端、第二输出端分别与热极化光纤首尾连接 组成热极化光纤环形腔，构成基于热极化环形腔的非平衡Mach-Zehnder干涉仪。
[0009] 热极化光纤具有二阶非线性效应，施加外加电压可调节热极化光纤内的有效折射 率，从而改变该非平衡Mach-Zehnder干涉仪两臂的相位差，最终改变输出端光功率大小， 实现开关功能。相比于由热极化光纤构成的平衡Mach-Zehnder光开关，由热极化光纤环形 腔构成的非平衡Mach-Zehnder光开关可大幅度降低开关电压。
[0010] 本发明的具体工作原理如下：
[0011] 2X2Mach-Zehnder干涉仪结构中，输出功率与入射功率的关系为：
[0012]
(.1.)
[0013]其中，t为光信号在Mach-Zehnder干涉仪上臂中的相位变化，巾2为光信号在Mach-Zehnder干涉仪下臂中的相位变化。
[0014] 在光纤环形腔谐振器中，親合器:r2第一输入端口的输入光信号为E:，親合器r2第 一输出端口的输出光信号为E3，环形腔的入射光信号为E4，出射光为E2，各信号光符合以下 关系：
[0015] E3=rE!+itE2,
[0016] (2)
[0017]E4=itE!+rE2
[0018] 其中r为谐振器的透射系数，t为耦合系数为，r2+t2= 1。
[0019] 在长度为L的热极化光纤环形腔中，
[0020]
[0021]
[0022] 其中，a为损耗因子，L为其中的热极化光纤长度，r^ff为热极