一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法技术

本发明专利技术公开了一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，啁啾的引入，使得双稳态开关中的布拉格波数沿轴向发生变化，布拉格波数沿轴向发生变化使同一频率的入射光谐振次数减少，因而内部反馈减弱，导致双稳环上支透过率降低，最终使开关阈值减小。该光开关可用CdSxSe1-x玻璃作为材料，用离子交换技术、全息曝光、离子束刻蚀技术得到。通过引入啁啾形式的折射率分布，获得了更低阈值的光学双稳态，从而实现性能更优的全光开关。在本发明专利技术中运用了半导体掺杂实现介电常数的连续可调，由此实现了更低阈值的全光开关，具有结构简单、操作方便等性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种全光开关，更具体说，它涉及一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法。
技术介绍
随着光通信技术的迅速发展，全光开光已经成为数字光通信和全光网络所必备的基本器件。对全光元件，特别是全光开关的研究，是近年来研究的热点。光学双稳态（Optical Bistable:OB）是指通过控制光调控光学系统高和低两种不同的输出状态，使得光信号发生受控转变的现象。从物理原理上看，光学双稳态现象类似于电子器件中广泛应用的逻辑门。与电子器件相比，光学双稳态具有开关速度快、不受电磁干扰、功耗较低等优点，其应用领域涉及光开关器件、光逻辑计算、光放大器、数字光通信器件等多个方面。光学开关的阈值是指能使光学系统产生反转的最小控制光的强度，也就是发生开关的临界值，低阈值开关有利于更精确地实现光学控制、降低器件的功耗、减小开关的响应时间、提高开关的灵敏度。目前在非线性光学领域，获取低阈值光学双稳态形成的光开关是重要的研究方向。近几十年来国内外在光学双稳态方面开展了大量的研究工作，并在理论和实验上取得了重大的进展。到目前为止，关于光学双稳态器件的发展有以下几个方向：1.在二维光子晶体平板微腔中加入非线性克尔介质实现了全光双稳态开关，通过优化结构，得到了大于15dB的开关比和375mW的最小输入功率（文献1,Hamed Pezeshki,Vahid Ahmadi.All-optical bistable switching based on photonic crystal slab nanocavity using nonlinear Kerr effect.Journal of Modern Optics,2012,Vol.60,No.2,103-108）。2.研究在光子晶体中利用材料中的光子载流子引起的“带填充”效应，导致非线性光子晶体具有较大的光调制特性，实现了低阈值高效光开关和100ps的光学双稳开关时间（文献2，Chen Ming,Li Chun-fei,et al.Characteristics of Optical Bistability of Nonlinear One-dimensional Photonic Crystal Waveguide.ACTA OPTICA SINICA,2004,25(6):620-624）。3.在2011年，Damien Brissinger 等人采用近场硅纳米针尖调控纳米腔的光学模式，调节近场硅纳米针尖与非线性纳米腔的距离，改变光与物质的相互作用，使得腔内单稳态和双稳态之间相互转换，实现了硅腔中的光学双稳态(文献3，Brissinger D,Cluzel B,Coillet A et al.Near-field control of optical Bistability in a nanocavity.General Assembly and Scientific Symposium,2011,30th URSI)。如上所述，在光子晶体介质结构中放入非线性介质来获得光学双稳态的研究已经很多，但使用的方法、结构都较为复杂，实现成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种在不改变材料的消耗以及其他光学性能的基础上实现阈值更低全光开关性能的啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法。这种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，包括：步骤1：取折射率分布为余弦分布的光子晶体，其折射率的分布满足：n(z)＝n0+n1(z)+n2(z)   （1）其中，n0为平均折射率，为折射率周期性变化幅度，为非线性效应引起的折射率分布，这里E(z)表示光栅内部电场振幅，Λ为周期数，z表示其轴向方向，η为克尔系数；步骤2：引入线性啁啾，改变公式（1）中的折射率n1，使其满足下面的表达式：n1(z)=n0cos(2πΛz×ωBR(z))--(2)]]>ωBR(z)=2zL0≤z≤L22-2zLL2≤z≤L]]>经过折射率调控，光波波数β将随轴向（z方向）变化；其变换规律可表示为β(z)=β0+C(z-L/2)/L2，式中β0为平均波数，C为啁啾系数，C=2～7，L为光子晶体的长度，L=0.3cm～4.5cm；步骤3：采用半导体掺杂实现啁啾折射率的变化；以CdSxSe1-x半导体微晶作为一维啁啾双稳态开关的材料；通过改变CdSxSe1-x中的x值，x=0～1，使其折射率满足在z方向上以啁啾的形式分布，其交替变化满足公式（2）。作为优选：步骤1中，折射率为余弦分布的光子晶体由离子交换技术制作。作为优选：步骤2中，公示（2）可以用其它非线性的啁啾来表达：汉宁窗函数、海明窗函数、布莱克曼窗函数或凯塞窗函数。作为优选：步骤3中，折射率关于x的变化曲线的拟合公式为：n1=0.06184*x2-0.26202*x+2.48061。作为优选：步骤2中，n0=1.551，η=-1.0*10-9cm2/W，C=5，L=1cm。本专利技术的有益效果是：啁啾的引入，使得双稳态开关中的布拉格波数沿轴向发生变化，布拉格波数沿轴向发生变化使同一频率的入射光谐振次数减少，因而内部反馈减弱，导致双稳环上支透过率降低，最终使开关阈值减小。通过引入啁啾结构，获得了低阈值的光学双稳态效应性能。该光学双稳态器件在不改变材料的消耗以及其他光学性能的基础上实现阈值更低全光开关的性能。该光开关可用CdSxSe1-x玻璃作为材料，用离子交换技术、全息曝光、离子束刻蚀技术得到。通过引入啁啾形式的折射率分布，获得了更低阈值的光学双稳态，从而实现性能更优的全光开关。为了获得简单结构、低成本的低阈值光学双稳态开关，本专利技术根据光子局域特性，运用非周期的介质结构(啁啾结构)调控非线性介质，使得光在非线性介质中产生更强的局域现象，在较为简单的结构上，实现了低阈值的光学双稳态。在本专利技术中运用了半导体掺杂实现介电常数的连续可调，由此实现了更低阈值的全光开关，具有结构简单、操作方便等性能。附图说明图1为余弦分布的折射率分布曲线；图2为引入啁啾后的折射率分布；图3为啁啾形式折射率示意图；图4为开关工作原理图；图5为不同啁啾系数下双稳态曲线图，a、b、c、d、e对应啁啾系数分别为5、2、0、-2、-5；图6为啁啾结构与周期性一维光子晶体双稳态比较图；图7为对信号光的开关控制流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步描述。虽然本专利技术将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，其特征在于：包括：步骤1：取折射率分布为余弦分布的光子晶体，其折射率的分布满足：n(z)＝n0+n1(z)+n2(z)  （1）其中，n0为平均折射率，为折射率周期性变化幅度，为非线性效应引起的折射率分布，这里E(z)表示光栅内部电场振幅，Λ为周期数，z表示其轴向方向，η为克尔系数；步骤2：引入线性啁啾，改变公式（1）中的折射率n1，使其满足下面的表达式：n1(z)=n0cos(2πΛz×ωBR(z))--(2)]]>ωBR(z)=2zL0≤z≤L22-2zLL2≤z≤L]]>经过折射率调控，光波波数β将随轴向（z方向）变化；其变换规律可表示为β(z)=β0+C(z‑L/2)/L2，式中β0为平均波数，C为啁啾系数，C=2～7，L为光子晶体的长度，L=0.3cm～4.5cm；步骤3：采用半导体掺杂实现啁啾折射率的变化；以CdSxSe1‑x半导体微晶作为一维啁啾双稳态开关的材料；通过改变CdSxSe1‑x中的x值，x=0～1，使其折射率满足在z方向上以啁啾的形式分布，其交替变化满足公式（2）。...

【技术特征摘要】
1.一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，其特征在于：包括：
步骤1：取折射率分布为余弦分布的光子晶体，其折射率的分布满足：
n(z)＝n0+n1(z)+n2(z)  （1）
其中，n0为平均折射率，为折射率周期性变化幅度，为
非线性效应引起的折射率分布，这里E(z)表示光栅内部电场振幅，Λ为周期数，z表示其
轴向方向，η为克尔系数；
步骤2：引入线性啁啾，改变公式（1）中的折射率n1，使其满足下面的表达式：
n1(z)=n0cos(2πΛz×ωBR(z))--(2)]]>ωBR(z)=2zL0≤z≤L22-2zLL2≤z≤L]]>经过折射率调控，光波波数β将随轴向（z方向）变化；其变换规律可表示为β(z)=
β0+C(z-L/2)/L2，式中β0为平均波数，C为啁啾系数，C=2～7，L为光子晶体的长度，
L=0.3cm～4.5cm；
步骤3：采用半导体掺杂实现啁啾折射率的...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕岗，傅俊，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33