专利名称：由两个周期弯曲的非线性光波导耦合而成的全光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于非线性光波导耦合器的全光开关，属于光学技术领域。
背景技术：
全光开关消除了电开关的光/电，电/光的转换过程，是未来光通信网络的关键器件。
人们可以利用光纤耦合器的非线性特性，实现全光开关。文献(Appl.phys.lett.51，1135(1987))报导了利用非线性光纤耦合器实现了亚皮秒速度的全光开关。他们制造了2米长的单模非线性双芯光纤(即光波导)，纤芯直径5微米，间隔8微米。纤芯和包层的折射率差为0.0054，光纤由石英制作。一束激光由光纤耦合器的一个纤芯入射。当入射功率小于临界功率，光完全转移到另一个纤芯；当入射功率大于临界功率，光几乎完全限制在最初入射的纤芯内，从而实现开关功能。实验中，利用短光脉冲(sech2形状，波长为1.06微米，脉宽30皮秒，由Nd:YAG激光器发出)从一个纤芯注入，实现了全光开关，开关的临界功率为850W。实验中的非线性光纤耦合器如图1所示。
以后陆续有实验利用非线性光纤耦合器表明观察到高对比度的光学开关效应，详细的论述见《非线性光纤原理及应用》(G.P.Agrawal著，电子工业出版社，2002)中的第二章。
因为传统的光纤耦合器(由两个直的光波导耦合而成)要求相对较高的临界功率，所以用连续光束实现光开光是很困难的。通常的解决方案是用短光脉冲，短光脉冲具有较高的峰值功率但脉宽又足以使色散效应不很严重(准连续波情况)。但使用准连续波的光脉冲有一个明显的缺点因为输入脉冲边沿的能量较低，只有脉冲的中心部分才能产生开关效应。因此，与连续波光束的情况相比，脉冲开关具有渐进(开关对临界功率的灵敏度不高)和不完全(即使脉冲的峰值功率超过临界功率，光也不能完全保持在入射脉冲的纤芯内)等特性，这些特性严重限制了传统光纤耦合器用于全光开关。在传统的光纤耦合器中，通常使用非线性折射率较大的材料来制作光纤以降低开关的阈值，但同时延长了材料的响应时间。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种无须使用非线性折射率较大的材料但仍然可以降低开关阈值的全光开关，以克服现有全光开关所存在的渐进和不完全的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明一种由两个周期弯曲的非线性光波导耦合而成的全光开关包括两个平行排列的光波导，所述两个光波导沿光的传播方向被同步的周期弯曲，并且两个光波导的长度相等且均为耦合长度的奇数倍。
进一步，所述周期弯曲由正弦或余弦函数描述。
进一步，所述周期弯曲由椭圆函数描述。
本发明公开的全光开关使用两个周期弯曲的非线性光波导来替代现有全光开关中的直的光波导，这种全光开关在沿光的传播方向把两个平行的光波导周期弯曲。由于波导的周期弯曲，相当于增加了耦合器的非线性，因此可以极大地降低开关的阈值。这种弯曲的光波导耦合器，其开关的临界功率，主要取决于波导弯曲的强度和弯曲的周期。而且这种改进的全光开关，对比度有明显改善，对开关阈值的灵敏度更高，克服了基于传统光波导耦合器的全光开关的渐进和不完全等缺点。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明 图1是现有技术的全光开关的示意图； 图2是本发明提出的全光开关的示意图； 图3是本发明提出的全光开关在连续光束下在第一种周期弯曲的光波导的耦合长度Lc处两端口相对输出能量如何随输入能量变化的函数曲线； 图4是本发明提出的全光开关的临界功率和开关的转换宽度与波导弯曲强度的函数曲线； 图5是本发明提出的全光开关在连续光束下在第二种周期弯曲的光波导的耦合长度Lc处两端口相对输出能量如何随输入能量变化的函数曲线； 图6是本发明提出的全光开关在连续光束下在第三种周期弯曲的光波导的耦合长度Lc处两端口相对输出能量如何随输入能量变化的函数曲线。
具体实施例方式 实施例1 参见图2，本发明提供的全光开关由两个相同的平行放置的周期弯曲的光波导耦合而成。波导沿传播方向z方向弯曲的形状可为任意周期函数 在x方向由于衬底折射率ns和光波导折射率不同，由于是双芯光波导，在x方向形成一个折射率的双阱结构，两纤芯沿x方向的距离为a，波导的弯曲周期为Λ＝2π/ω。两个波导沿z方向的直线长度是Lc，其具体值将由波导的具体特征决定。
连续光束在周期弯曲的对称耦合器中传播的非线性耦合方程是 其中i表示虚数，弯曲函数由波导的弯曲形状决定，S(z)＝(2aπnsd2x0(z)/d2z)/λ，其中λ表示光在真空中的波长，ns表示衬底折射率，a表示两纤芯的距离。|c1|2，|c2|2分别表示光在纤芯(1)和纤芯(2)中的相对功率。χ表示非线性参数，其中χ＝2πn2P0/(λσeff)，σeff表示有效纤芯截面，n2表示光波导非线性折射率，P0为输入功率。耦合系数v由纤心距a和材料的特性决定。当S(z)＝0，即为传统光波导耦合器。传统光波导耦合器有一个特征长度即它的耦合长度Lc0＝π/v。这个长度在传统光波导耦合器中是指光束第一次完全转移到第二个纤芯的最短距离。当传统光波导耦合器的长度定为耦合长度或耦合长度的奇数倍时，它就具有开关的功能。弯曲的光波导耦合器也具有这样一个耦合长度，当它的长度选为耦合长度或耦合长度的奇数倍时，它就具有开关的功能。
在高频极限下，即ω远大于v，χ，非线性耦合方程可化成没有驱动的非线性两能级模型 其中有效耦合常数 v′*是v′的复共轭。
并要求n1+2n2+...NnN＝n1′+2n2′+...NnN′，这里Jn为n阶贝塞尔函数。举三个例子来说明本发明提出的全光开关的数据 (1)x0(z)＝Acos(ωz)，S(z)＝Scos(ωz)，那么v′＝vJ0(S/ω)，光波导的长度Lc＝Lc0/J0(S/ω)。
(2)x0(z)＝A1cos(ωz)+A2cos(2ωz)，S(z)＝S[cos(ωz)+cos(2ωz)]，那么 光波导的长度 (3)x0(z)＝Acn(kz，m)。
1.波导沿传播方向z方向弯曲的形状为x0(z)＝Acos(2πz/Λ) 图3是在耦合长度Lc处两端口输出的相对功率(RELATIVE OUTPUTPOWER)与输入功率(INPUT POWERP0/Pc)的函数曲线。基于传统光波导耦合器的全光开关的临界功率为Pc＝λσeff/(Lc0n2)。对传统光波导耦合器的周期调制，由波导的弯曲强度S和频率ω两个参数决定，其中S＝8π3aAns/(Λ2λ)，ω＝2π/Λ。当S/ω＝0，即为传统光波导耦合器。图3为ω/v＝10时，当光从纤芯(1)入射，在耦合长度Lc处分别从纤芯(1)(实线)和纤芯(2)(虚线)输出的相对功率与输入功率的函数曲线。从中可以看出临界功率随波导的弯曲强度增大而减小(图中实线与虚线的交点处的功率表示临界功率)。
在高频极限下，即ω远大于v，χ，这里非线性参数χ＝2πn2P0/(λσeff)，周期弯曲两个光波导相当于有效地改变传统光波导耦合器的耦合参数，即v′＝vJ0(S/ω)，这里J0为零级贝塞尔函数。因此，本发明提出的全光开关的耦合长度在高频极限下为Lc＝Lc0/J0(S/ω)，临界功率为Pc′＝PcJ0(S/ω)。因为J0(S/ω)能够取0，可以极大降低开关的阈值。
参阅图4，本发明提出的全光开关的Pc′/Pc和ΔP/Pc与S/ω的函数曲线。图4(a)显示临界功率随弯曲强度增强而减小。我们定义转换宽度ΔP为一个输出端口输出的相对功率为25％和75％时对应的输入功率的差值。图4(b)表明周期弯曲两个光波导可以减小ΔP，因此本发明提出的全光开关对开关临界值的灵敏度更高。
2.波导沿传播方向z方向弯曲的形状为x0(z)＝A1cos(ωz)+A2cos(2ωz) 图5是在耦合长度Lc处两端口输出的相对功率(RELATIVE OUTPUTPOWER)与输入功率(INPUT POWERP0/Pc)的函数曲线。从中可以看出临界功率随波导的弯曲强度增大而减小。图中参数为ω/v＝20。
3.波导沿传播方向z方向弯曲的形状为x0(z)＝Acn(kz，m) cn(kz，m)为椭圆函数，其周期为4K(m)/k，K(m)为第一类椭圆完全积分，频率ω＝πk/2K(m)。当m＝0，cn(kz，0)＝cos(kz)。
图6是在耦合长度Lc处两端口输出的相对功率(RELATIVE OUTPUTPOWER)与输入功率(INPUT POWERP0/Pc)的函数曲线。从中我们同样可以看出临界功率随波导的弯曲强度增大而减小。在图中，我们取m＝0.8，k/v＝20，此时频率ω/v＝13.9181。
权利要求
1.一种由两个周期弯曲的非线性光波导耦合而成的全光开关。所述全光开关包括两个平行排列的光波导，其特征在于，所述两个光波导沿光的传播方向被同步的周期弯曲，并且两个光波导的长度相等且均为耦合长度的奇数倍。
2.根据权利要求1所述的由两个周期弯曲的非线性光波导耦合而成的全光开关，其特征在于，所述周期弯曲由正弦或余弦函数描述。
3.根据权利要求1所述的由两个周期弯曲的非线性光波导耦合而成的全光开关，其特征在于，所述周期弯曲由椭圆函数描述。
全文摘要
本发明提供了一种由两个周期弯曲的非线性光波导耦合而成的全光开关，本发明一种由两个周期弯曲的非线性光波导耦合而成的全光开关，包括两个平行排列的光波导，所述两个光波导沿光的传播方向被同步的周期弯曲，并且两个光波导的长度相等且均为耦合长度的奇数倍。这种全光开关在沿光的传播方向把两个平行的光波导周期弯曲。由于波导的周期弯曲，相当于增加了耦合器的非线性，因此可以极大地降低开关的阈值。这种弯曲的光波导耦合器，其开关的临界功率，主要取决于波导弯曲的强度和弯曲的周期。而且这种改进的全光开关，对比度有明显改善，对开关阈值的灵敏度更高，克服了基于传统光波导耦合器的全光开关的渐进和不完全等缺点。
文档编号G02F1/35GK101216655SQ200810056579
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月22日 优先权日2008年1月22日
发明者飙 吴, 罗小兵, 谢琼涛 申请人:中国科学院物理研究所