硫系玻璃光子晶体光纤2×2干涉型全光开关及控制方法与流程

本发明涉及光控光开关领域，具体而言涉及一种硫系玻璃光子晶体光纤2×2干涉型全光开关及控制方法。

背景技术：

光开关是一种可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，可实现动态光路径管理、光网络故障保护、波长动态分配等功能，在光学信息处理、光计算还是光通信等领域中占有重要的地位。研究高速、高灵敏光开关或光开关矩阵，可解决目前复杂网络中的波长争用问题，对提高波长重用率及进行网络灵活配置有重要的意义。传统的光开关大多是电控的光开关，这些开关通常存在光电转换困难，开关速度较慢以及开关功率较高的缺点。为了使光通信和光网络等系统真正实现全光化，采用以光控光的全光开关是必要的，这样可使光交换和光路由完全在光域范围内实现，而且开关时间可以缩短到纳秒以下。

非线性马赫-泽德(M-Z)仪就是一种光控型光开关，它是克尔效应和M-Z干涉仪结合的一种干涉仪型光开关。它具有结构简单、实现方便、开关速度可通过合理控制光的注入及采用合适的三阶非线性光学材料来提高等优势，理论上完全满足高速、高灵敏的要求，在超高速光通信领域具有广泛的应用前景，因此是目前研究最多、最有前途的一种全光开关结构类型。对于非线性M-Z型光开关，其基本原理是利用M-Z仪两条干涉臂内克尔效应产生的非线性相移差达到π时非线性光学效应相消，从而实现超高速断开。由于此类开关是基于光的克尔效应，因而通常开关功率较大，通过增加两个干涉臂的长度差可以降低开关功率，但是这样又不利于器件的小型化和集成化。因此，选择一种具有大的光学非线性系数和超快光响应的材料，并设计合理的波导结构对于降低开关功率、提高开关速度具有重要意义。此外，为满足大数据量的光学计算、通信以及光网络的需要，增加单个开关元件的路数也是必要的，对于形成N×N开关矩阵来说，以2×2开关数为单元开关，其自由组合能组成丰富的矩阵开关，可有效减少控制电极数和提高开关的性能。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种硫系玻璃光子晶体光纤2×2干涉型全光开关，将具有高非线性效应的硫系玻璃材料与能产生高非线性效应的光子晶体光纤技术相结合，实现了高速光控2×2光开关阵列装置，同时，将非线性M-Z光开关作为基本单元，设计2×2光开关阵列，利用M-Z光开关相位调制控制信号光的输出，可以同时或分别实现上行通断和下行通断。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种硫系玻璃光子晶体光纤2×2干涉型全光开关，所述全光开关包括第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第六耦合器、第一硫系玻璃基质微结构光纤、第二硫系玻璃基质微结构光纤、第三硫系玻璃基质微结构光纤，以及用于连接上述各部件的若干段石英单模光纤。

所述第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第六耦合器、第一硫系玻璃基质微结构光纤、第二硫系玻璃基质微结构光纤、第三硫系玻璃基质微结构光纤，以及用于连接上述各部件的若干段石英单模光纤均布设在一PVC衬底基片上。

所述第一耦合器具有一个输入端和两个输出端，第一耦合器的输入端被定义成第一信号光源输入端，其位于所述PVC衬底基片边缘，外接有第一信号光源。

所述第二耦合器具有一个输入端和两个输出端，第二耦合器的输入端被定义成第二信号光源输入端，其位于所述PVC衬底基片边缘，外接有第二信号光源。

所述第一信号光源和第二信号光源发出的信号光波长相同。

所述第三耦合器具有三个输入端和一个输出端，三个输入端分别被定义成第一输入端、第二输入端、第三输入端。

所述第一耦合器的其中一个输出端与第一硫系玻璃基质微结构光纤的一端连接，另一个输出端与第三耦合器的第一输入端连接。

所述第二耦合器的其中一个输出端与第二硫系玻璃基质微结构光纤的一端连接，另一个输出端与第三耦合器的第二输入端连接。

所述第三耦合器的第三输入端被定义成第一控制端，其位于所述PVC衬底基片边缘，外接有第一控制光源。

所述第四耦合器具有一个输入端与两个输出端，其输入端与所述第三耦合器的输出端连接，两个输出端分别被定义成第一输出端与第二输出端。

所述第五耦合器具有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端与第一硫系玻璃基质微结构光纤不与第一耦合器连接的一端连接，另一个输入端与第四耦合器的第一输出端连接，第五耦合器的输出端被定义成第一信号光源输出端。

所述第六耦合器具有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端与第二硫系玻璃基质微结构光纤不与第二耦合器连接的一端连接，另一个输入端与第四耦合器的第二输出端连接，第六耦合器的输出端被定义成第二信号光源输出端。

进一步的，所述第一硫系玻璃基质微结构光纤、第二硫系玻璃基质微结构光纤、第三硫系玻璃基质微结构光纤的端面均由基底材料、纤芯和空气孔组成，纤芯采用具有高线性折射率的Ge-As-Se三元系统硫系玻璃材料。

可选的，所述空气孔中填充有低折射率材料。

进一步的，所述第一耦合器、第二耦合器、第四耦合器采用3dB二功分器。

所述第三耦合器采用3dB合路器。

所述第五耦合器、第六耦合器采用WDM。

进一步的，所述第一硫系玻璃基质微结构光纤、第二硫系玻璃基质微结构光纤中传输的信号光和第三硫系玻璃基质微结构光纤中传输的信号光具有相位差。

所述第三硫系玻璃基质微结构光纤的长度被设置成与第一硫系玻璃基质微结构光纤、第二硫系玻璃基质微结构光纤的长度相匹配，以使在施加泵浦脉冲至第三硫系玻璃基质微结构光纤时，所述相位差为π，而不施加泵浦脉冲时，相位差为0。

可选的，所述第一硫系玻璃基质微结构光纤、第二硫系玻璃基质微结构光纤、第三硫系玻璃基质微结构光纤的长度相同，且长度与泵浦脉冲激励第三硫系玻璃基质微结构光纤产生非线性效应改变信号光相位量相匹配。

进一步的，所述第一控制光源采用工作波长与硫系玻璃非线性特性相匹配的脉冲激光。

可选的，第一控制光源采用波长为1064nm的皮秒脉冲。

进一步的，所述第一耦合器与第一硫系玻璃基质微结构光纤之间设置有第七耦合器，该第七耦合器具有两个输入端和一个输出端，第七耦合器的其中一个输入端与第一耦合器连接，另一个输入端被定义成第二控制端，外接有第二控制光源。

所述第二耦合器与第二硫系玻璃基质微结构光纤之间设置有第八耦合器，该第八耦合器具有两个输入端和一个输出端，第八耦合器的其中一个输入端与第二耦合器连接，另一个输入端被定义成第三控制端，外接有第三控制光源。

所述第七耦合器、第八耦合器采用3dB合路器。

本发明还提出一种采用前述硫系玻璃光子晶体光纤2×2干涉型全光开关的控制方法，包括：

第一信号光源发出信号光，经由第一耦合器均分成两束，这两束信号光分别被定义成第一信号光和第二信号光，其中，第一信号光进入第一硫系玻璃基质微结构光纤，第二信号光经由第三耦合器进入第三硫系玻璃基质微结构光纤，第一信号光和第二信号光之间产生第一相位差。

第二信号光源发出信号光，经由第二耦合器均分成两束，这两束信号光分别被定义成第三信号光和第四信号光，其中，第三信号光进入第二硫系玻璃基质微结构光纤，第四信号光经由第三耦合器进入第三硫系玻璃基质微结构光纤，第三信号光和第四信号光之间产生第二相位差。

第一控制光源没有发出泵浦光时，第三硫系玻璃基质微结构光纤的折射率和第一硫系玻璃基质微结构光纤、第二硫系玻璃基质微结构光纤相同，第一相位差和第二相位差均为0，第二信号光和第四信号光经由第四耦合器再分束，分别传输至第五耦合器和第六耦合器，其中，第一信号光和第二信号光经由第五耦合器合束后从第一信号光源输出端传输出去，第三信号光和第四信号光经由第六耦合器合束后从第二信号光源输出端传输出去，实现开关的开通功能。

第一控制光源发出泵浦光时，该泵浦光经由第三耦合器进入第三硫系玻璃基质微结构光纤，通过光学克尔效应引起第三硫系玻璃基质微结构光纤的折射率发生变化，第一相位差和第二相位差均为π，泵浦光、第二信号光、第四信号光的混合光束经过第四耦合器再分束，分别传输至第五耦合器和第六耦合器，第五耦合器和第六耦合器滤除混合光束中的泵浦光，第一信号光和第二信号光之间产生干涉，第一信号光源输出端无信号光输出，第三信号光和第四信号光之间产生干涉，第二信号光源输出端无信号光输出，实现开关的断开功能。

由以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

1、将具有高非线性效应的硫系玻璃材料与能产生高非线性效应的光子晶体光纤技术相结合，实现了高速光控2×2光开关阵列装置。

2、将非线性M-Z光开关作为基本单元，设计2×2光开关阵列，利用M-Z光开关相位调制控制信号光的输出，可以同时或分别实现上行通断和下行通断。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的硫系玻璃光子晶体光纤2×2干涉型全光开关的结构示意图。

图2是本发明的硫系玻璃光子晶体光纤结构示意图。

图中标号为：1、第一信号光源输入端，2、第二信号光源输入端，3、第一控制端，4、第一信号光源，5、第二信号光源，6、第一信号光源输出端，7、第二信号光源输出端，8、第一硫系玻璃基质微结构光纤，9、第二硫系玻璃基质微结构光纤，10、第三硫系玻璃基质微结构光纤，11、第一耦合器，12、第二耦合器，13、第三耦合器，14、第四耦合器，15、第五耦合器，16、第六耦合器，17、PVC衬底基片，18、第七耦合器，19、第八耦合器，20、第二控制端，21、第三控制端，22、第一控制光源，23、第二控制光源，24、第三控制光源，25、空气孔。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1，本发明所提及的硫系玻璃光子晶体光纤2×2干涉型全光开关，所述全光开关包括第一耦合器11、第二耦合器12、第三耦合器13、第四耦合器14、第五耦合器15、第六耦合器16、第一硫系玻璃基质微结构光纤8、第二硫系玻璃基质微结构光纤9、第三硫系玻璃基质微结构光纤10，以及用于连接上述各部件的若干段石英单模光纤。

所述第一耦合器11、第二耦合器12、第三耦合器13、第四耦合器14、第五耦合器15、第六耦合器16、第一硫系玻璃基质微结构光纤8、第二硫系玻璃基质微结构光纤9、第三硫系玻璃基质微结构光纤10，以及用于连接上述各部件的若干段石英单模光纤均布设在一PVC衬底基片17上，使该全光开关实现集成一体化。

所述第一耦合器11具有一个输入端和两个输出端，第一耦合器11的输入端被定义成第一信号光源输入端1，其位于PVC衬底基片17边缘，外接有第一信号光源4。

所述第二耦合器12具有一个输入端和两个输出端，第二耦合器12的输入端被定义成第一信号光源输入端2，其位于PVC衬底基片17边缘，外接有第一信号光源5。

所述第一信号光源4和第二信号光源5发出的信号光波长相同。

所述第三耦合器13具有三个输入端和一个输出端，三个输入端分别被定义成第一输入端、第二输入端、第三输入端。

所述第一耦合器11的其中一个输出端与第一硫系玻璃基质微结构光纤8的一端连接，另一个输出端与第三耦合器13的第一输入端连接。

所述第二耦合器12的其中一个输出端与第二硫系玻璃基质微结构光纤9的一端连接，另一个输出端与第三耦合器13的第二输入端连接。

所述第三耦合器13的第三输入端被定义成第一控制端3，其位于所述PVC衬底基片17边缘，外接有第一控制光源22。

所述第四耦合器14具有一个输入端与两个输出端，其输入端与所述第三耦合器13的输出端连接，两个输出端分别被定义成第一输出端与第二输出端。

所述第五耦合器15具有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端与第一硫系玻璃基质微结构光纤8不与第一耦合器11连接的一端连接，另一个输入端与第四耦合器14的第一输出端连接，第五耦合器15的输出端被定义成第一信号光源输出端6。

所述第六耦合器16具有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端与第二硫系玻璃基质微结构光纤9不与第二耦合器12连接的一端连接，另一个输入端与第四耦合器14的第二输出端连接，第六耦合器16的输出端被定义成第一信号光源输出端7。

所述第一耦合器11、第二耦合器12、第四耦合器14采用3dB二功分器。

所述第三耦合器13采用3dB合路器。

所述第五耦合器15、第六耦合器16采用WDM。

结合图2，所述第一硫系玻璃基质微结构光纤8、第二硫系玻璃基质微结构光纤9、第三硫系玻璃基质微结构光纤10的端面均由基底材料、纤芯和空气孔25组成，纤芯采用具有高线性折射率的Ge-As-Se三元系统硫系玻璃材料。

纤芯为具有高线性折射率的Ge-As-Se三元系统硫系玻璃材料，其折射率可以与基底材料相同，也可以不同。光纤端面的空气孔，也可以由其它低折射率材料填充，以改变各个部分的折射率，几何尺寸和排布方式，实现不同的光纤特性。

空气孔25的形状可以是圆形、椭圆形或其它形状，孔与孔的形状可以一样，也可以不一样，孔的层数可以是1层，也可以是多层，孔的整体排布可以是允许的任意形状。

所述第一硫系玻璃基质微结构光纤8、第二硫系玻璃基质微结构光纤9中传输的信号光和第三硫系玻璃基质微结构光纤10中传输的信号光具有相位差。

所述第三硫系玻璃基质微结构光纤10的长度被设置成与第一硫系玻璃基质微结构光纤8、第二硫系玻璃基质微结构光纤9的长度相匹配，以使在施加泵浦脉冲至第三硫系玻璃基质微结构光纤10时，前述相位差为π，而不施加泵浦脉冲时，前述相位差为0。

作为其中的一种实施例，所述第一硫系玻璃基质微结构光纤8、第二硫系玻璃基质微结构光纤9、第三硫系玻璃基质微结构光纤10的长度设置成相同，且长度与泵浦脉冲激励第三硫系玻璃基质微结构光纤10产生非线性效应改变信号光相位量相匹配，以此使得相位差为0或者π。

所述第一控制光源22采用工作波长与硫系玻璃非线性特性相匹配的脉冲激光。

优选的，第一控制光源22采用波长为1064nm的皮秒脉冲。

光波传输过程中，频率ω的强控制泵浦光作用于波导介质，由于交叉作用光学克尔效应，会引起相应于信号光频率ω₀的介质折射率变化。一个沿z方向传播的单色波E(ω,z)＝E(z)e^i(kz-ωt)，由于光学克尔效应会引起介质折射率变化，此时折射率变为：n＝n₀+Δn，n₀为线性折射率，△n为非线性折射率。而介质折射率变化进一步引起在介质内部传输的信号光波的相位变化，传至z＝L处时其相位变化为：而式中非线性折射率△n与泵浦光强成正比：Δn＝n₂|E(ω)|²，其中n₂为介质的非线性折射系数，与入射泵浦光及介质本身特性相关。因此在介质中传输的信号光波相位变化为：从而当控制光源发出的泵浦光经WDM入射进硫系玻璃光子晶体光纤时，引起该光子晶体光纤折射率发生改变，进一步导致由交叉作用光学克尔效应引起的信号源光波相位的变化。因此通过调节控制光源泵浦脉冲的强度，即增加|E(ω)|²项，可实现调节两个硫系玻璃基质微结构光纤中的入射信号光的相位变化。再利用相干光的干涉原理，当两束相干光的相位差时，两个光纤中传输过来的信号光实现相干相消，从而使得当π时，两输出端产生通断。

在此基础上，本发明提出一种采用前述硫系玻璃光子晶体光纤2×2干涉型全光开关的控制方法，包括：

第一信号光源4发出信号光，经由第一耦合器11均分成两束，这两束信号光分别被定义成第一信号光和第二信号光，其中，第一信号光进入第一硫系玻璃基质微结构光纤8，第二信号光经由第三耦合器13进入第三硫系玻璃基质微结构光纤10，第一信号光和第二信号光之间产生第一相位差。

第二信号光源5发出信号光，经由第二耦合器12均分成两束，这两束信号光分别被定义成第三信号光和第四信号光，其中，第三信号光进入第二硫系玻璃基质微结构光纤9，第四信号光经由第三耦合器13进入第三硫系玻璃基质微结构光纤10，第三信号光和第四信号光之间产生第二相位差。

第一控制光源22没有发出泵浦光时，第三硫系玻璃基质微结构光纤10的折射率和第一硫系玻璃基质微结构光纤8、第二硫系玻璃基质微结构光纤9相同，第一相位差和第二相位差均为0，第二信号光和第四信号光经由第四耦合器14再分束，分别传输至第五耦合器15和第六耦合器16，其中，第一信号光和第二信号光经由第五耦合器15合束后从第一信号光源输出端6传输出去，第三信号光和第四信号光经由第六耦合器16合束后从第二信号光源输出端7传输出去，实现开关的开通功能。

第一控制光源22发出泵浦光时，该泵浦光经由第三耦合器13进入第三硫系玻璃基质微结构光纤10，通过光学克尔效应引起第三硫系玻璃基质微结构光纤10的折射率发生变化，第一相位差和第二相位差均为π，泵浦光、第二信号光、第四信号光的混合光束经过第四耦合器14再分束，分别传输至第五耦合器15和第六耦合器16，第五耦合器15和第六耦合器16采用WDM，由于WDM具有滤波功能，混合光束中的泵浦光被滤除，余下的第一信号光和第二信号光之间产生干涉，第一信号光源输出端6无信号光输出，第三信号光和第四信号光之间产生干涉，第二信号光源输出端7无信号光输出，实现开关的断开功能。

通过以上控制方法实现由一路泵浦光同时控制两路信号光，使信号光输出强度得到调谐，获得开关功率低、调制速度快的光控光开关器件。

由于硫系玻璃光子晶体光纤在强泵浦脉冲光作用下由光学克尔效应引起的非线性折射率的改变是一个超快的过程，其速度能达到皮秒量级。因此，此开关可用于超高速光纤通信系统。

所述第一耦合器11与第一硫系玻璃基质微结构光纤8之间设置有第七耦合器18，该第七耦合器18具有两个输入端和一个输出端，第七耦合器18的其中一个输入端与第一耦合器11连接，另一个输入端被定义成第二控制端20，外接有第二控制光源23。

所述第二耦合器12与第二硫系玻璃基质微结构光纤9之间设置有第八耦合器19，该第八耦合器19具有两个输入端和一个输出端，第八耦合器19的其中一个输入端与第二耦合器2连接，另一个输入端被定义成第二控制端21，外接有第二控制光源24。

所述第七耦合器18、第八耦合器19采用3dB合路器。

利用前述的控制方法，第二控制光源23可以控制第一硫系玻璃基质微结构光纤8的折射率变化，第三控制光源24可以控制第二硫系玻璃基质微结构光钎9的折射率变化，加上前述第一控制光源22控制第三硫系玻璃基质微结构光纤10的折射率变化，从而实现同时或分别实现上行通断和下行通断。

另外，第五耦合器15和第六耦合器16采用WDM，由于WDM具有滤波功能，因此，无论实际应用中开启了哪几个控制光源，均可以被第五耦合器15和第六耦合器16滤除，本发明将第五耦合器15和第六耦合器16设置成WDM的目的也在于此。

从而，本发明将具有高非线性效应的硫系玻璃材料与能产生高非线性效应的光子晶体光纤技术相结合，实现了高速光控2×2光开关装置，同时，将其作为基本单元实现n×n阵列，并且可以同时或分别实现上行通断和下行通断。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。