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CN108802908A - 基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关 - Google Patents

基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关 Download PDF

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CN108802908A
CN108802908A CN201810414789.3A CN201810414789A CN108802908A CN 108802908 A CN108802908 A CN 108802908A CN 201810414789 A CN201810414789 A CN 201810414789A CN 108802908 A CN108802908 A CN 108802908A
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CN
China
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waveguide
linear
nonlinear
impulse generator
defect
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CN201810414789.3A
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戢凯文
韩坤
李莎莎
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Northwest University
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Northwest University
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Abstract

本发明提供了一种基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关，包括第一波导层和第二波导层，第一波导层设置在第二波导层上部；第一波导层包括N+m个波导，其中序号为v1至vN的N个波导为非线性波导，N+m个波导排列在同一水平面上，其中m为正整数；第二波导层包括N‑1个线性波导，所述N‑1个线性波导排列在同一水平面上；其中序号为u1的线性波导具有正缺陷，序号为uN‑1的线性波导具有负缺陷；双输入双输出光学开关还包括两个输入端口和两个输出端口。本发明具有非线性依赖的光开关透过率，不同输入端的不同光强具有不同的通光状态，能够灵活的调控光路开断，可实现高输入光强情况下的光路保护。

Description

基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关
技术领域
本发明属于光通信与光学逻辑计算领域，涉及光学开关，具体涉及一种基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关。
背景技术
随着传统集成工艺的不断提升，晶体管电路逐渐接近物理极限，届时摩尔定律将不再适用。用光信号来取代电信号成为了发展集成工艺的新出路，其中全光学开关在光计算与光信息处理中占有重要地位。
传统的机械式光开关体积大不易集成，且响应速度较慢；微电子光开关虽然具有较好的工艺兼容性，但是插入损耗大，开关不稳定，响应速度仅在微秒量级。随着光子技术的发展，光子晶格作为一种全新的全光平台出现在人们眼前，但是一般的全光光子晶格光开关只存在单输入/单输出，不利于对光信号的灵活调控。此外随着非线性效应的引入，高功率密度的光信号必定会对光学器件产生损伤，所以对光路的保护也是亟待解决的问题之一。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关，解决现有技术中光开关随着非线性效应的引入，高功率浓度的光信号对光学器件产生损伤的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关，包括第一波导层和第二波导层，所述第二波导层设置在第一波导层上部；
所述第一波导层记做vn，包括N+m个波导，其中序号为v1至vN的N个波导为非线性波导，所述N+m个波导排列在同一水平面上，其中m为正整数；
所述第二波导层记做un，包括N-1个线性波导，所述N-1个线性波导排列在同一水平面上；其中序号为u1的线性波导具有正缺陷，序号为uN-1的线性波导具有负缺陷；
所述双输入双输出光学开关还包括两个输入端口(端口1和2)和两个输出端口(端口3和4)。
进一步地，所述线性波导位于两个非线性波段连接线中点的正上方。
进一步地，每两个相邻的所述非线性波导之间具有层内耦合系数κ1，相邻线性波导和非线性波导之间具有层间耦合系数κ2；其中，κ1：κ2为大于等于2且小于等于3。
进一步地，所述两个输入端口分别设置在第一波导层左侧(端口1)或右侧线性波导区域(端口2)，两个输出端口分别设置在第一波导层左侧(端口3)或右侧线性波导区域(端口4)。
进一步地，所述线性波导和非线性波导均为直线型波导。本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明设有双端口输入与输出端，光开关的开断依赖于光强和输入端口的选择，可实现高输入光强情况下的光路保护；
本发明呈锯齿状，具有非线性依赖的光开关透过率，不同输入端的不同光强具有不同的同光状态，能够灵活的调控光路开断，可实现高输入光强情况下的光路保护；
本发明具有体积小，结构简单，易于集成，插入损耗低的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明结构的截面图；
图3(a)N为2时，在自聚焦非线性作用下，本发明的透过率曲线；图 3(b)N为3时，在自聚焦非线性作用下，本发明的透过率曲线；图3(c) N为2时，在自散焦非线性作用下，本发明的透过率曲线；图3(d)是N 为3时，在自散焦非线性作用下，本发明的透过率曲线；其中三角和实线代表小缺陷情况下(|β1,2|＝0.1)两端口(k＝π/2代表从端口1入射，k＝-π/2代表从端口2入射)的透过率，虚线和星形线代表强缺陷情况下(|β1,2|＝1)两端口的透过率；
图4为在N＝3,|β1,2|＝1,κ2/κ1＝2情况下不同光强输入下的数值模拟传输图。
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是如图1所示，本申请中的左、右指的是图1中的左、右。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
如图1、2所示，本实施例给出一种基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关，包括第一波导层和第二波导层，第二波导层设置在第一波导层上部；
第一波导层包括包括N+m个波导，其中序号为v1至vN的N个波导为非线性波导，所述N+m个波导排列在同一水平面上，其中m为正整数；
第二波导层包括N-1个线性波导，所述N-1个线性波导排列在同一水平面上；其中序号为u1的线性波导具有正缺陷，序号为uN-1的线性波导具有负缺陷；
其中，线性波导位于两个非线性波段连接线中点的正上方。
每两个相邻的所述非线性波导之间具有层内耦合系数κ1，相邻线性波导和非线性波导之间具有层间耦合系数κ2；其中，κ1：κ2为2:1。
双输入双输出光学开关还包括两个输入端口和两个输出端口。其中，如图1所示两个输入端口分别设置在第一波导层左侧(端口1)或右侧线性波导区域(端口2)，两个输出端口分别设置在第一波导层左侧(端口3)或右侧线性波导区域(端口4)。
本实施例中的线性波导和非线性波导均为直线型波导。当N＝2时，如图3(a)和图3(c)所示。
当N＝3时，如图 3(b)和图3(d)所示。
其中：
V2＝ε(β2)T0e3ik+ρ(β2)T0e4ik；
ω＝-2κ1cosk；
V1＝eikR0+e-ikR；
式中，T0为透射振幅，R为反射振幅，R0为入射振幅，β1,2为缺陷大小， k为光波波矢。
如图3(d)所示，当α＝-1,N＝3,|β1,2|＝1时，两条曲线均随着光强的增大先增大后减小。在弱光情况下，两个输入端输入时光开关的透过率都很低，大部分能量被反射，且两条曲线不存在明显差异，说明两个输入应该有相同的开关状态——只有一个输出端口呈打开状态；在中等光强时，1、2端口输入的光波均有较高的透过率，但是两条曲线存在明显的差异，说明此时从 1、2端口输入光开关会有不同的开关状态，实现了双端口输入/输出的光学开关。在强光情况下，1、2端口输入时光开关的透过率曲线大幅降低，说明大部分能量被反射，实现了光路保护作用。由以上分析可知，本发明可以在一种具有自散焦非线性效应并含有较强缺陷的体系中实现。
本发明中所提出的双输入双输出光学开关可以通过在铌酸锂中不同层进行高温扩散铁和镁的方法制备。非线性层波导可以通过高温扩散Fe2O3来形成，线性层可通过高温扩散MgO的方法来抑制光折变效应，从而制备线性波导；改变掺杂浓度可以实现正负缺陷，使缺陷折射率为n0±(10-3～10-4)(n0为线性层普通波导的折射率)。耦合系数与波导间距成正比，所以耦合系数可以通过调整波导之间的间距来调节，设κ1＝0.15mm-1，κ2＝0.3mm-1，则非线性波导之间的间距d＝17μm，非线性层与线性层之间的间距则为d＝34μm。
在本实施例中非线性波导个数N＝3，缺陷深度为|β|＝n0±10-3，κ1＝0.15mm-1，κ2＝0.3mm-1。数值模拟结果如图4所示，在弱光情况下，在端口1输入会在端口3得到输出信号，端口4呈关闭状态；在端口2输入时会在端口4得到输出信号，端口3呈关闭状态；继续增大光强，从端口1输入的信号能够低损耗的通过光开关，在端口4得到信号输出，此时端口4打开，端口3关闭；从端口2输入的信号通过光开关后呈半透半反的状态，在端口 3,4均有输出信号，光开关对于两个端口都呈打开状态；在强光的情况下， 1端口输入只能从3端口输出，4端口呈关闭状态，实现了对4端口内光路的保护作用；从2端口输入的也会有类似现象，可以实现对端口3内的光路的保护作用。

Claims (5)

1.一种基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关，其特征在于，包括第一波导层和第二波导层，所述第二波导层设置在第一波导层上部；
所述第一波导层记做vn，包括N+m个波导，其中序号为v1至vN的N个波导为非线性波导，所述N+m个波导排列在同一水平面上，其中m为正整数；
所述第二波导层记做un，包括N-1个线性波导，所述N-1个线性波导排列在同一水平面上；其中序号为u1的线性波导具有正缺陷，序号为uN-1的线性波导具有负缺陷；
所述双输入双输出光学开关还包括两个输入端口和两个输出端口。
2.根据权利要求1所述的基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关，其特征在于所述线性波导位于两个非线性波段连接线中点的正上方。
3.根据权利要求2所述的基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关，其特征在于，每两个相邻的所述非线性波导之间具有层内耦合系数κ1，相邻线性波导和非线性波导之间具有层间耦合系数κ2；其中，κ1：κ2为大于等于2且小于等于3。
4.根据权利要求1所述的基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关，其特征在于，所述两个输入端口分别设置在第一波导层左侧或右侧线性波导区域，两个输出端口分别设置在第一波导层左侧或右侧线性波导区域。
5.根据权利要求1所述的基于含缺陷非线性光子晶格的双输入双输出光学开关，其特征在于，所述线性波导和非线性波导均为直线型波导。
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