一种多通道片上集成全光相位控制器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多通道片上集成全光相位控制器及其控制方法。本发明专利技术通过设计一系列亚波长的分支波导作为输出通道，并将其通过侧面耦合的方式耦合到主波导的不同位置处，在主波导中激发出的两束对向传播的波导模式相干叠加产生驻波光场，不同输出通道间光场的相位差近似以0或者π两个值存在，表现出二元相位特征，这一现象同时提供了相位差的鲁棒性和可切换性，极大方便了进一步的应用；这种纳米尺度上的多通道全光相位控制器及其全光控制方法可能在纳米光子学领域中获得广泛应用。

A multi-channel on chip integrated all-optical phase controller and its control method

The invention discloses a multi-channel on-chip integrated all-optical phase controller and a control method thereof. By designing a series of sub-wavelength branched waveguides as output channels and coupling them to different positions of the main waveguide through side-coupling, the standing wave optical field is generated by coherent superposition of two pairwise propagating waveguide modes excited in the main waveguide. The phase difference of the optical field between different output channels is approximately 0 or 0. The existence of two values of PI indicates the binary phase characteristic, which provides the robustness and switchability of phase difference and facilitates further application. This multi-channel all-optical phase controller and its all-optical control method on nano-scale may be widely used in the field of nanophotonics.

【技术实现步骤摘要】
一种多通道片上集成全光相位控制器及其控制方法
本专利技术涉及纳米光子学，具体涉及一种多通道片上集成全光相位控制器及其控制方法。
技术介绍
在纳米尺度上用光控制光是光学中的一个基本问题，并且在实际中有很多应用，例如：纳米尺度的全光相位控制器是实现未来超高集成度的全光通讯、信息处理网络的关键器件之一。通常来说，有两种方式可以实现全光控制。一种是利用非线性光学效应：当一束强的泵浦光照射在非线性光学材料上时，材料的光学性质发生改变，从而可以改变另一束弱的探测光的性质。然而，受制于材料弱的非线性光学效应，这种方式需要极大的泵浦光功率才能在纳米尺度下有效工作，因此极大的增加了能耗并限制了其实际应用。与此相反，最近出现了另一种基于线性光学效应的全光控制方式，称为相干的光控光(coherentcontroloflightwithlight)，这种方式原则上可以在任意低的光强下工作。这种方式采用两束对向传播的相干光在三维自由空间中形成驻波光场，然后在驻波的波腹或者波节处放置一个亚波长厚度的薄吸收层，当其中一束传播光的相位发生变化时，驻波的波腹和波节位置相应变化，从而可以改变薄吸收层对于光场的吸收，进而改变透射光。这种效应可以用来实现光控制光，典型的应用包括全光开关、偏振控制等等。但是，这种方法中采用的三维体结构不适合于纳米尺度的片上集成，特别是难以实现多通道的片上集成光控光。另外，驻波场的相位信息在上述薄吸收层的吸收过程中没有被包括。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种多通道片上集成全光相位控制器及其控制方法；在一个片上集成的亚波长表面等离激元SPP波导系统中基于线性光学方法实现了一种纳米尺度的全光控制，不同于之前的自由空间驻波光场，这里的驻波光场是在一个波导之中形成的，称为主波导。本专利技术的一个目的在于提出一种多通道片上集成全光相位控制器。本专利技术的多通道片上集成全光相位控制器包括：主波导、多个输出通道、第一光束和第二光束；其中，多个亚波长的分支波导作为输出通道，通过侧面耦合的方式耦合在主波导的一侧或两侧的不同位置处；第一光束和第二光束为强度相等的相干光，从主波导的两个端口分别入射至主波导内，在主波导中激发出两束对向传播的波导模式，主波导中由于波导模式的相干叠加出现驻波光场，电场沿主波导为一个余弦型分布；亚波长的分支波导的宽度远小于主波导中波导模式的有效波长λeff，并通过主波导和分支波导间的距离g来控制主波导与分支波导之间的耦合效率，使得主波导中的驻波光场分布近似不受耦合的影响，耦合到分支波导中的光场与耦合位置处主波导中的光场成正比；各个输出通道的位置依赖项是一个余弦函数，虽然驻波光场各个位置的电场绝对相位有相同的时间依赖项，从而随时间t和相位而变化，其中和分别代表对向传播的波导模式的初相位，但是驻波光场不同位置处电场之间的相位差只能是0或者π，具体取决于余弦项的值是同号还是异号；这一二元相位特征完全不同于普通传播光场的连续相位差；当相同的亚波长分支波导的侧面耦合到主波导的不同位置上时，耦合到不同分支波导中的光场也具有0或者π的相位差，因为耦合出的光场与耦合位置处主波导中的光场成正比；当两个分支波导放置在驻波的同一周期内或者两个分支波导间存在偶数个周期时，则耦合到分支波导中的输出光信号是同相的，即相位差等于0；当两个分支波导放置在驻波的相邻的两个周期内或者两个分支波导间存在奇数个周期时，则耦合到分支波导中的输出光信号是反相的，即相位差等于π，从而通过分支波导的位置对不同输出信号光之间的相位差以一种二元的模式进行，驻波场二元相位的特征使得全光相位控制器具有鲁棒性；并且通过动态地改变控制位置固定的输出通道输出的信号光的相位差在0和π两个状态间进行动态切换；驻波在主波导中形成多个波节和波腹，从而同时控制多个输出通道。假设主波导没有传播损耗，则主波导中的电场分布E(x,t)可以表示为其中E0、k、ω分别代表主波导中单个方向传播的波导模式的电场幅度、波矢、角频率。这一方程表明电场沿主波导为一个余弦型分布，光强每隔半个波导模式的有效波长λeff达到零(或者极大值)。这一周期为λeff/2的周期性光强分布为进行纳米尺度的片上集成全光控制提供了平台。当相同的宽度远小于λeff/2的亚波长分支波导通过侧面耦合的方式耦合到主波导时，主波导中波导模式的光场将部分耦合到分支波导中。所有分支波导完全相同，并通过主波导和分支波导间的距离g来控制主波导与分支波导之间的耦合效率，使得主波导中的驻波光场分布近似不受耦合的影响，耦合到分支波导中的光场与耦合位置处主波导中的光场成正比。不同输出通道的输出光信号彼此间的相位差也是可控的。如果所用的主波导是没有损耗的，则方程(1)中的波矢k是一个实数，此时，方程(1)中的位置依赖项是一个余弦函数，这一函数的值也是一个实数。这个余弦函数的值的绝对值决定了光场的幅度，而这个余弦函数值的正负号为光场的相位提供了一个额外的0或者π的相位：当余弦函数值为正实数时，额外相位为0；当余弦函数值为负实数时，额外相位为π。因此，虽然驻波光场各个位置的电场绝对相位有相同的时间依赖项，从而随时间t和相位而变化，但是驻波光场不同位置处电场之间的相位差只能是0或者π，具体取决于余弦项的值是同号还是异号。这一二元相位特征完全不同于普通传播光场的连续相位差。上述讨论中没有考虑波导的传播损耗，但是只要损耗比较小，损耗效应不改变主要结论。当相同的亚波长分支波导侧面耦合到主波导的不同位置上时，耦合到不同分支波导中的光场也具有0或者π的相位差，因为耦合出的光场近似与耦合位置处主波导中的光场成正比。具体来说，当两个分支波导放置在驻波的同一周期内或者两个分支波导间存在偶数个周期时，则耦合到分支波导中的输出光信号是同相的，即相位差等于0；当两个分支波导放置在驻波的相邻的两个周期内或者两个分支波导间存在奇数个周期时，则耦合到分支波导中的输出光信号是反相的，即相位差等于π。因此，通过分支波导的位置对不同输出信号光之间的相位差以一种二元的模式进行操控，这种二元相位特征的一个重要优点是使得这种相位控制机制具有鲁棒性，因为相位差或者是0或者是π，这是驻波场二元相位特征的结果。例如：当两个分支波导的位置有小的改变或者两个对向传播的波导模式间的初相位差有小的改变时，只要两个分支波导仍保持在原来的驻波周期内，也就是仍保持在图1b中具有相同颜色的区间内，则两个分支波导的输出光信号的相位差保持不变。也就是说，不同输出通道间输出信号的相位差对于输出通道位置和对向传播的波导模式间的初相位差的小变化不敏感，即具有鲁棒性。这一相位鲁棒性对于很多需要稳定相位差的实际应用非常重要。二元相位特征还提供了使输出信号相位差在0和π之间进行切换的可能性，这种现象发生在当两个输出通道间的距离或者对向传播的波导模式间的初相位差有一个较大的变化，以至于两个通道间驻波场的周期数发生了变化时。特别是，位置固定的输出通道输出的信号相位差可以通过动态地改变在0和π两个状态间进行动态切换，这一独特的相位可切换特性也归功于驻波光场的二元相位特征。作为对比，在传统的传播波波导中，当输出通道位置固定时，不同输出通道间输出信号的相位差总是固定的。另外，由于分支波导的宽度很小(远小于λe本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多通道片上集成全光相位控制器，其特征在于，所述全光相位控制器包括：主波导、多个输出通道、第一光束和第二光束；其中，多个亚波长的分支波导作为输出通道，通过侧面耦合的方式耦合在主波导的一侧或两侧的不同位置处；第一光束和第二光束为强度相等的相干光，从主波导的两个端口分别入射至主波导内，在主波导中激发出两束对向传播的波导模式，主波导中由于波导模式的相干叠加出现驻波光场，电场沿主波导为一个余弦型分布；亚波长的分支波导的宽度远小于主波导中波导模式的有效波长λeff，并通过主波导和分支波导间的距离g来控制主波导与分支波导之间的耦合效率，使得主波导中的驻波光场分布近似不受耦合的影响，耦合到分支波导中的光场与耦合位置处主波导中的光场成正比；各个输出通道的位置依赖项是一个余弦函数，虽然驻波光场各个位置的电场绝对相位有相同的时间依赖项，从而随时间t和相位

【技术特征摘要】
1.一种多通道片上集成全光相位控制器，其特征在于，所述全光相位控制器包括：主波导、多个输出通道、第一光束和第二光束；其中，多个亚波长的分支波导作为输出通道，通过侧面耦合的方式耦合在主波导的一侧或两侧的不同位置处；第一光束和第二光束为强度相等的相干光，从主波导的两个端口分别入射至主波导内，在主波导中激发出两束对向传播的波导模式，主波导中由于波导模式的相干叠加出现驻波光场，电场沿主波导为一个余弦型分布；亚波长的分支波导的宽度远小于主波导中波导模式的有效波长λeff，并通过主波导和分支波导间的距离g来控制主波导与分支波导之间的耦合效率，使得主波导中的驻波光场分布近似不受耦合的影响，耦合到分支波导中的光场与耦合位置处主波导中的光场成正比；各个输出通道的位置依赖项是一个余弦函数，虽然驻波光场各个位置的电场绝对相位有相同的时间依赖项，从而随时间t和相位而变化，其中和分别代表对向传播的波导模式的初相位，但是驻波光场不同位置处电场之间的相位差只能是0或者π，具体取决于余弦项的值是同号还是异号；这一二元相位特征完全不同于普通传播光场的连续相位差；当相同的亚波长分支波导的侧面耦合到主波导的不同位置上时，耦合到不同分支波导中的光场也具有0或者π的相位差，因为耦合出的光场与耦合位置处主波导中的光场成正比；当两个分支波导放置在驻波的同一周期内或者两个分支波导间存在偶数个周期时，则耦合到分支波导中的输出光信号是同相的，即相位差等于0；当两个分支波导放置在驻波的相邻的两个周期内或者两个分支波导间存在奇数个周期时，则耦合到分支波导中的输出光信号是反相的，即相位差等于π，从而通过分支波导的位置对不同输出信号光之间的相位差以一种二元的模式进行，驻波场二元相位的特征使得全光相位控制器具有鲁棒性；并且通过动态地改变控制位置固定的输出通道输出的信号光的相位差在0和π两个状态间进行动态切换；驻波在主波导中形成多个波节和波腹，从而同时控制多个输出通道。2.如权利要求1所述的全光相位控制器，其特征在于，所述主波导采用传播损耗小的材料，使得波导模式的传播长度大于10倍各分支波导间的最大间距。3.如权利要求1所述的全光相位控制器，其特征在于，所述亚波长的分支波导的宽度小...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智，廖慧敏，王宇晗，郭阳观，孙成伟，甘峰源，陈建军，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11