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CN105425322B - 一种全光波长转换器 - Google Patents

一种全光波长转换器 Download PDF

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CN105425322B CN201510801641.1A CN201510801641A CN105425322B CN 105425322 B CN105425322 B CN 105425322B CN 201510801641 A CN201510801641 A CN 201510801641A CN 105425322 B CN105425322 B CN 105425322B
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种全光波长转换器，包括：电介质层；天线层，所述天线层形成于所述电介质层的表面，所述天线层包括周期排列的多个天线结构单元；所述天线结构单元包括第一缺口圆环天线、第二缺口圆环天线和截面为正方形的方形天线；所述第一缺口圆环天线和所述第二缺口圆环天线对称设置于所述方形天线的两侧，其中，所述第一缺口圆环天线和所述第二缺口圆环天线以所述截面的任一对角线为对称轴，所述第一缺口圆环天线的缺口与所述第二缺口圆环天线的缺口相对。本发明实现可全光波长转换功能，不仅结构简单、成本低，同时也拓宽了超材料的应用范围。

Description

一种全光波长转换器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种全光波长转换器。
背景技术
超材料(Metamaterial)是一种人工超常电磁介质，其具备天然材料所不具有的超常电磁性质。超材料一般采用人工设计的多个金属结构单元来获得负的介电常数、负的磁导率以及负的折射率，而且这些金属结构单元的尺寸远小于电磁波的波长。超材料的性能除了与组成材料的性能有关以外，还与金属结构单元的尺寸、单元间相互作用密切相关，因此，这些金属结构单元又被称为超原子或者超分子。最常见的超材料是利用金属构建亚波长的周期结构来获得负的介电常数、负的磁导率以及负的折射率。由于超材料具有电磁特异功能，因此具有潜在的应用，如电磁隐身、电磁波的完美吸收、超分辨成像以及超材料通信天线等。在外部信号刺激下，超材料性能发生相应的改变，从而实现光开关、波长转换、光调制、光探测等功能，应用在光通信、光传感等领域中。
波长转换器是把光信号从一个波长转换到另一个波长上的器件，全光波长转换器是波分复用光网络及全光交换网络中的关键部件。波长转换器按其工作原理主要可以分为：光/电/光型波长转换器、相干型波长转换器和基于光逻辑门的波长转换器。目前，较为成熟的波长转换器主要是光/电/光型的波长转换器，光/电/光型的波长转换器先将光信号转换成电信号，经定时再生后，产生再生的电信号和时钟信号，再用该电信号对标准波长的激光器重新进行调制，从而实现波长转换。但是，它对信号格式和调制速率不透明，系统升级和应用范围受限。相干型波长转换器和基于光逻辑门的波长转换器则分别利用四波混频、交叉增益调制、交叉相位调制等效应实现波长转换，虽然能够弥补上述的不足，但器件的制作成本往往较高，其使用范围具有局限性。
发明内容
本发明通过提供一种全光波长转换器，解决了现有技术中的波长转换器对信号格式和调制速率不透明，系统升级和应用范围受限的技术问题。
本发明实施例提供了一种全光波长转换器，包括：
电介质层；
天线层，所述天线层形成于所述电介质层的表面，所述天线层包括周期排列的多个天线结构单元；
所述天线结构单元包括第一缺口圆环天线、第二缺口圆环天线和截面为正方形的方形天线；
所述第一缺口圆环天线和所述第二缺口圆环天线对称设置于所述方形天线的两侧，其中，所述第一缺口圆环天线和所述第二缺口圆环天线以所述截面的任一对角线为对称轴，所述第一缺口圆环天线的缺口与所述第二缺口圆环天线的缺口相对。
优选的，所述方形天线的中心位于所述第一缺口圆环天线的圆心和所述第二缺口圆环天线的圆心连线的中点位置。
优选的，所述电介质层的材料为二氧化硅。
优选的，所述天线结构单元的材料为金属。
优选的，所述金属为金。
优选的，一个所述天线结构单元与位于其正下方的所述电介质层所构成的第一结构的长宽比例为2：1。
优选的，所述第一缺口圆环天线和所述第二缺口圆环天线的缺口均为圆环周长的1/4。
优选的，所述第一缺口圆环天线和所述第二缺口圆环天线相同。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明通过在电介质层表面设置天线层，并在天线层中设置周期排列的多个天线结构单元，每个天线结构单元包括第一缺口圆环天线、第二缺口圆环天线和方形天线，当泵浦光和探测光从靠近天线层的一侧入射到本申请的全光波长转换器上后，本申请的全光波长转换器的透射谱发生变化，从而，改变本申请的全光波长转换器对探测光的透射率，由此将泵浦光所携带的信号转移到透射出的探测光上，实现全光波长转换功能，不仅结构简单、成本低，同时也拓宽了超材料的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种全光波长转换器的示意图；
图2为本发明实施例中将天线层投影到电介质层后第一结构的平面示意图；
图3为本发明实施例中一个具体实施方式中全光波长转换器的透射谱；
图4为本发明实施例中当有泵浦光入射时全光波长转换器的透射谱。
其中，1为电介质层，2为天线层，21为第一缺口圆环天线，22为第二缺口圆环天线，23为方形天线，3为泵浦光，4为探测光。
具体实施方式
为解决现有技术中的波长转换器对信号格式和调制速率不透明，系统升级和应用范围受限的技术问题，本发明提供一种全光波长转换器。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种全光波长转换器，该全光波长转换器利用超材料进行实现。如图1所示，所述全光波长转换器位于以x轴和y轴建立的直角坐标系所在的平面内，所述全光波长转换器包括电介质层1和天线层2，天线层2形成于电介质层1的表面，电介质层1的材料为二氧化硅，天线层2的材料为金属，优选的，该金属材料为金。
在本申请中，天线层2包括周期排列的多个天线结构单元，一个天线结构单元也即超材料的一个结构单元，一个天线结构单元包括一个第一缺口圆环天线21、一个第二缺口圆环天线22和一个方形天线23。具体的，第一缺口圆环天线21和第二缺口圆环天线22均为具有一缺口的圆环金属天线，方形天线23为截面是正方形的金属块，圆环金属天线的厚度与金属块的厚度相同，也即天线层2的厚度。
天线结构单元在x-y平面的投影如图2所示，其中，第一缺口圆环天线21和第二缺口圆环天线22对称设置于方形天线23的两侧，其中，第一缺口圆环天线21和第二缺口圆环天线22以正方形截面的任一对角线为对称轴，且，第一缺口圆环天线21的缺口与第二缺口圆环天线22的缺口相对。
进一步，方形天线23的中心位于第一缺口圆环天线21的圆心和第二缺口圆环天线22的圆心连线的中点位置，即，将天线层2投影到电介质层1后，方形天线23的中心、第一缺口圆环天线21的圆心和第二缺口圆环天线22的圆心在同一直线上。一个天线结构单元与位于该天线结构单元正下方的电介质层1所构成的第一结构的长宽比例为2：1，例如，第一结构的宽为a，则，第一结构的长为2a。另外，第一缺口圆环天线21和第二缺口圆环天线22相同，均是缺口为圆环周长的1/4的圆环天线，两个缺口圆环天线的内径均为ri，两个缺口圆环天线的外径均为ro，正方形截面的边长为b。
对于本申请的所述全光波长转换器，设有泵浦光3和探测光4，入射泵浦光3携带有信号，入射探测光4是没有携带信号的连续光。当泵浦光3的入射光强度改变时，所述全光波长转换器的共振频率产生频移，即，所述全光波长转换器的透射谱发生改变，从而改变所述全光波长转换器对探测光4的透射率，探测光4的透射光强发生改变，由此可以将泵浦光3所携带的信号转移到透射出的探测光4上，实现全光波长转换功能。
具体来讲，在由x轴、y轴和z轴构成直角坐标系下，泵浦光3和探测光4的入射方向沿着z轴的负方向，泵浦光3和探测光4的入射光电场方向与y轴平行，即，入射光的电场矢量沿y轴，如图1所示。根据超材料和金属等离子电磁共振理论可知，组成超材料的材料特性、以及结构单元的几何结构和尺寸参数，共同决定了超材料的电磁共振波长λr。当外部入射电磁波的波长接近λr时，金属中的自由电子会发生强烈的局域等离子共振，吸收大量电磁波的能量，导致该波长及其附近的电磁波出射功率急剧下降。由于本申请中的天线结构单元由两种图形组成，即，金属天线包含两种分形结构，其中，第一个分形结构是两个镜像放置的两个3/4圆环天线、第二个分形结构是截面为正方形的金属块。因此，这两个分形结构会产生两个共振波长，其中一个共振波长由两个镜像放置的两个3/4圆环决定，另外一个共振波长由金属块决定。
参见图3，通过仿真模拟得到超材料的透射谱，该仿真所针对的有关尺寸参数如下：电介质层1的厚度t1为60nm，天线层2的厚度t2为30nm，上述第一结构的宽a为200nm，上述第一结构的长2a为400nm，两个缺口圆环天线的内径均为ri为60nm，两个缺口圆环天线的外径均为ro为90nm，正方形截面的边长b为90nm。由图3可见，超材料在波长为660nm的第一波长和波长为730nm的第二波长处具有较强的共振，在相应位置的透射率分别为0.028和0.038。其中，660nm波长处的共振是由第一个分形结构所造成的，730nm波长处的共振则是由第二个分形结构而导致的。
在全光波长转换中，涉及到两束光，第一束光是泵浦光3，入射泵浦光3携带了信号，第二束光是探测光4，入射探测光4是没有携带信号的连续光。波长转换的功能就是要将泵浦光3中的信号转换到输出的探测光4上去，也即，使输出的探测光4不再是连续光，而是携带上入射泵浦光3的信息。在本申请中，将第一波长和第二波长分别作为所述全光波长转换器的泵浦光3和探测光4。
进一步，泵浦光3和探测光4均从所述全光波长转换器同一侧垂直入射，即沿着z轴的负方向。接着，泵浦光3和探测光4依次通过所述全光波长转换器，最终从电介质层1这一侧透射出来。
在无泵浦光3入射的情况下，即泵浦光3为“0”时，探测光4波长处于电磁共振吸收的峰值附近，也即是说此时探测光4具有较小的透射率，由图3可知此时其透射率约为0.038，此时输出的探测光4为“0”。
图4给出了有泵浦光3入射的情况下，即泵浦光3为“1”时，所述全光波长转换器的透射谱。一旦泵浦光3被开启入射的时候，并且随着入射泵浦光3光强的增大，它可使所述全光波长转换器发生电磁共振的波长与强度均发生改变，也即是使其透射谱发生改变，共振峰的位置不再是探测光4波长所在的位置，即730nm。此时探测光4的透过率增大，其透射率由原来的0.038增大到0.79。由于较强的入射泵浦光3导致所述全光波长转换器的电磁共振吸收发生频移，探测光4经受超材料吸收的程度也有所减弱。因此，此时探测光4的透射率显著提高，探测光4输出的光功率较大，此时输出的探测光4为“1”。
综上所述，当泵浦光3为“0”时，也就是光功率为零或很小的泵浦光3入射到所述全光波长转换器上时，探测光4输出的光功率很小，此时输出的探测光4为“0”。而当泵浦光3为“1”时，也就是功率较大的泵浦光3入射到超材料上时，探测光4输出的光功率较大，此时输出的探测光4为“1”。因此，输出的探测光4中携带了泵浦光3的信号，实现了全光波长转换功能。
由于本发明的所述全光波长转换器仅仅采用基于平面制作工艺的超材料，从而具有结构简单、制作工艺简单和制作成本低的特点。
另外，本发明的所述全光波长转换器工作波长可以根据尺寸缩放效应使之移动到所设定的任意波长。例如，光通信波段所需的1.3微米和1.5微米波段，则根据超材料的尺寸缩放效应，对结构单元尺寸适当加以增大，就能实现光通信波段的波长转换。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
本发明通过在电介质层表面设置天线层，并在天线层中设置周期排列的多个天线结构单元，每个天线结构单元包括第一缺口圆环天线、第二缺口圆环天线和方形天线，当泵浦光和探测光从靠近天线层的一侧入射到本申请的全光波长转换器上后，本申请的全光波长转换器的透射谱发生变化，从而改变本申请的全光波长转换器对探测光的透射率，由此将泵浦光所携带的信号转移到透射出的探测光上，实现全光波长转换功能，不仅结构简单、成本低，同时也拓宽了超材料的应用范围。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种全光波长转换器，其特征在于，包括：
电介质层；
天线层，所述天线层形成于所述电介质层的表面，所述天线层包括周期排列的多个天线结构单元；
所述天线结构单元包括第一缺口圆环天线、第二缺口圆环天线和截面为正方形的方形天线；
所述第一缺口圆环天线和所述第二缺口圆环天线对称设置于所述方形天线的两侧，其中，所述第一缺口圆环天线和所述第二缺口圆环天线以所述截面的任一对角线为对称轴，所述第一缺口圆环天线的缺口与所述第二缺口圆环天线的缺口相对。
2.如权利要求1所述的全光波长转换器，其特征在于，所述方形天线的中心位于所述第一缺口圆环天线的圆心和所述第二缺口圆环天线的圆心连线的中点位置。
3.如权利要求1所述的全光波长转换器，其特征在于，所述电介质层的材料为二氧化硅。
4.如权利要求1所述的全光波长转换器，其特征在于，所述天线结构单元的材料为金属。
5.如权利要求4所述的全光波长转换器，其特征在于，所述金属为金。
6.如权利要求1所述的全光波长转换器，其特征在于，针对包括一个所述第一缺口圆环天线、一个所述第二缺口圆环天线和一个所述方形天线的一个所述天线结构单元而言，所述天线结构单元与位于其正下方的所述电介质层所构成的第一结构的长宽比例为2：1。
7.如权利要求1所述的全光波长转换器，其特征在于，所述第一缺口圆环天线和所述第二缺口圆环天线的缺口均为圆环周长的1/4。
8.如权利要求7所述的全光波长转换器，其特征在于，所述第一缺口圆环天线和所述第二缺口圆环天线相同。
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