一種基于光波導(dǎo)單側(cè)耦合微腔陣列的全光開關(guān)制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于光波導(dǎo)單側(cè)耦合微腔陣列的全光開關(guān)，其結(jié)構(gòu)為：三個(gè)非直接耦合的具有相同諧振頻率的微腔分別與光波導(dǎo)耦合，并假定三個(gè)微腔具有相同的耗散系數(shù)k

An all-optical switch based on an optical waveguide single side coupled microcavity array

The present invention discloses a kind of all-optical switch unilateral coupling optical waveguide microcavity array based on the structure is as follows: three non direct coupling with the same resonant frequency of the micro cavity and waveguide coupling respectively, and assume that the three micro cavities with dissipation coefficient K of the same

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種基于光波導(dǎo)單側(cè)耦合微腔陣列的全光開關(guān)
本專利技術(shù)屬于腔量子電動(dòng)力學(xué)
，涉及一種全光開關(guān)，具體地說，涉及一種基于光波導(dǎo)單側(cè)耦合微腔陣列的全光開關(guān)。
技術(shù)介紹
全光開關(guān)不僅在經(jīng)典全光網(wǎng)絡(luò)中起著關(guān)鍵性的作用，而且在未來的量子計(jì)算機(jī)和量子通信網(wǎng)絡(luò)中也扮演著重要的角色。因此，獲得益于光網(wǎng)絡(luò)集成的小體積、高開關(guān)速率、低消光比的全光光開關(guān)成為現(xiàn)今多個(gè)研究組的重點(diǎn)研究課題。例如由蘇格蘭圣安德魯大學(xué)日前研制的基于定向耦合器的光開關(guān)成為目前世界上最小的光開關(guān)，并有望集成于CMOS電子元件中。在量子信息和量子計(jì)算領(lǐng)域中，相應(yīng)的量子光開關(guān)技術(shù)更成為最前沿的研究熱門,如目前由加州理工學(xué)院的兩個(gè)小組分別采用束縛在微腔中的單個(gè)量子點(diǎn)來建立光子-光子相互作用的量子點(diǎn)光開關(guān)。量子點(diǎn)與半導(dǎo)體納米光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)是近幾年腔量子電動(dòng)力學(xué)的研究熱點(diǎn)。由于納米固態(tài)微腔的可集成性和加之近幾年納米加工技術(shù)和半導(dǎo)體加工技術(shù)的進(jìn)一步提高，人們可以設(shè)計(jì)制造出品質(zhì)因子更高、模體積更小的微腔，這使基于量子點(diǎn)和半導(dǎo)體微腔耦合系統(tǒng)的腔量子電動(dòng)力學(xué)方案成為實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的最有前途的方案之一。有研究者已經(jīng)用量子點(diǎn)和半導(dǎo)體微腔耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用于量子計(jì)算的邏輯門。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于光波導(dǎo)單側(cè)耦合微腔陣列的全光開關(guān)。首先用腔量子電動(dòng)力學(xué)理論比較詳細(xì)地分析了光波導(dǎo)單側(cè)耦合微腔陣列系統(tǒng)的光學(xué)傳輸特性及其反射波與入射波的位相關(guān)系。隨后，根據(jù)分析結(jié)果提出了一種全光光開結(jié)構(gòu)模型。該光開關(guān)的特點(diǎn)是不僅能很好地實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的功能，而且在所有微腔內(nèi)都沒有量子點(diǎn)，即裸腔，這點(diǎn)不同與現(xiàn)有的研究工作。最后，還詳細(xì)地分析了信號(hào)光的透射率與微腔數(shù)目及微腔耗散系數(shù)的關(guān)系，這為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)制造此類型光開關(guān)提供了理論依據(jù)和方法指導(dǎo)。其具體技術(shù)方案為：一種基于光波導(dǎo)單側(cè)耦合微腔陣列的全光開關(guān)，其結(jié)構(gòu)為：三個(gè)非直接耦合的具有相同諧振頻率的微腔分別與光波導(dǎo)耦合，并假定三個(gè)微腔具有相同的耗散系數(shù)k0，耗散系數(shù)k1和k2分別選定為：k1＝1，k2＝25k1，k0＝6k1，用作目標(biāo)光信號(hào)，作控制光信號(hào)，當(dāng)C2端無控制光輸入時(shí)，能以0.72的透射率透過；當(dāng)C2端有控制信號(hào)光輸入時(shí)，的透射率降為0，即被完全阻擋，實(shí)現(xiàn)了光的開關(guān)功能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果為：本專利技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)光的開關(guān)功能的干涉型光開關(guān)器件。本專利技術(shù)所討論的理論模型，可在光子晶體中引入點(diǎn)缺陷和線缺陷來實(shí)現(xiàn)，也可用光纖與微盤或與微球耦合來實(shí)現(xiàn)。附圖說明圖1是模型單元圖；圖2是系統(tǒng)的輸出特性，其中圖2(a)反射譜和圖2(b)反射光相移；圖3是無控制光時(shí)透射譜；圖4是有控制光時(shí)透射譜；圖5是信號(hào)光透射率隨微腔數(shù)目的變化；圖6是信號(hào)光透射率隨微腔耗散系數(shù)的變化。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。1模型和理論分析圖1是本專利技術(shù)要考慮的光纖單側(cè)耦合微腔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。為了清楚說明，本專利技術(shù)只畫出了一個(gè)與光波導(dǎo)耦合的微腔，可視為有多個(gè)微腔參與耦合時(shí)的一個(gè)基本單元。假定此微腔為單模腔，其諧振頻率為ω0。k0是微腔不計(jì)與波導(dǎo)耦合時(shí)的耗散系數(shù)，與微腔品質(zhì)因子Q0的關(guān)系為：k1，k2是微腔由于與波導(dǎo)耦合而引起的耗散系數(shù)。每個(gè)微腔通過k1，k2與波導(dǎo)耦合，而它們間非直接耦合。是從波導(dǎo)兩端入射的光波流算符，是從波導(dǎo)兩端輸出的光波流算符。在弱激發(fā)條件下，微腔腔模湮滅算符a(t)的朗之萬運(yùn)動(dòng)方程為：經(jīng)計(jì)算得耦合系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系為：其中T1為只有一個(gè)微腔耦合時(shí)的傳輸矩陣，若考慮光波導(dǎo)與n個(gè)微腔耦合，有關(guān)系T＝TnT0Tn-1T0....T0T1，Ti(i＝1,2…n)為對(duì)應(yīng)于第i個(gè)微腔單元的傳輸矩陣，本專利技術(shù)定義系統(tǒng)的反射系數(shù)為：其中R為反射率，φ為反射波相對(duì)于入射波的相移。同樣定義系統(tǒng)透射系數(shù)為：T為透射率。這兩個(gè)定義同樣使用于有單個(gè)或多個(gè)微腔耦合于波導(dǎo)的情形。先考慮只有一個(gè)微腔與波導(dǎo)耦合，并選定用k1歸一化的耗散系數(shù)(單位：THz)：k2＝k1＝1,k0＝0.005k1。設(shè)輸入光波信號(hào)僅有由式(2)計(jì)算得系統(tǒng)的輸出特性如圖2所示。圖2(a)給出了入射光反射率與失諧量的關(guān)系，在共振處有一尖銳的反射峰，反射率為1，反射峰的半高全寬度約為0.005k1。當(dāng)入射光波與微腔有較大失諧時(shí)，反射率降為0，系統(tǒng)對(duì)入射光透明。由圖2(b)得知，入射光與微腔在很小的失諧范圍外，反射光即可獲得π位相移。2全光開關(guān)設(shè)計(jì)本專利技術(shù)根據(jù)上面分析的結(jié)果提出了一種全光光開關(guān)，其結(jié)構(gòu)為：三個(gè)非直接耦合的具有相同諧振頻率的微腔分別與光波導(dǎo)耦合，并假定三個(gè)微腔具有相同的耗散系數(shù)k0，耗散系數(shù)k1和k2分別選定為：k1＝1，k2＝25k1，k0＝6k1。用作目標(biāo)光信號(hào)，作控制光信號(hào)。其開關(guān)特性如圖3、圖4所示。當(dāng)C2端無控制光輸入時(shí)(圖3)，能以0.72的透射率透過；當(dāng)C2端有控制信號(hào)光輸入時(shí)(圖4)，的透射率降為0，即被完全阻擋，實(shí)現(xiàn)了光的開關(guān)功能。分析其物理機(jī)制為：在本專利技術(shù)如上描述的結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，微腔對(duì)波導(dǎo)兩側(cè)的耗散非對(duì)稱(k2＝25k1)，故該系統(tǒng)可以視為是基于非對(duì)稱耦合的光器件。從C1輸入的光波能以透射率0.72透過系統(tǒng)，而從C2入射的光波則以反射率0.72被微腔反射，并且同時(shí)獲得了π位相，兩束具有π位相差的光波疊加干涉相消，使C2端無光信號(hào)輸出。所以此光開關(guān)為干涉型全光光開光，光開關(guān)的時(shí)序關(guān)系如圖5所示。3光開關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)下面本專利技術(shù)進(jìn)一步分析耦合系統(tǒng)的透射率與耦合微腔的數(shù)目及微腔自身的耗散系數(shù)的關(guān)系，以便獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)的光開關(guān)模型結(jié)構(gòu)。首先，設(shè)定入射光與微腔諧振，仍選k1＝1，k2＝25k1，k0＝6k1，得透射率與耦合微腔個(gè)數(shù)的關(guān)系如圖6。從中可以看出，當(dāng)有三個(gè)微腔與波導(dǎo)耦合，在沒有控制光輸入時(shí)，信號(hào)光有0.72的透射率；而當(dāng)有控制光輸入時(shí)，信號(hào)光的透射率降為最小值0，可以獲得較有效的開關(guān)效率。其次，本專利技術(shù)分析腔的耗散系數(shù)對(duì)信號(hào)光透射率的影響。選擇三個(gè)微腔與波導(dǎo)耦合，k1＝1，k2＝25k1，得其關(guān)系如圖6。從圖6可以看到，在微腔的耗散系數(shù)約為5k1，在沒有控制光時(shí)，信號(hào)光的透射率約為0.68，有控制光輸入時(shí)，信號(hào)光的透射率降為0。綜合上述分析，本專利技術(shù)可以優(yōu)化設(shè)計(jì)給出一種光開關(guān)結(jié)構(gòu)：共三個(gè)微腔與波導(dǎo)耦合，其參數(shù)可選定為：k1＝1，k2＝25k1，k0＝6k1，也就是本專利技術(shù)在2小節(jié)中所述光開關(guān)采用的參數(shù)。以上所述，僅為本專利技術(shù)較佳的具體實(shí)施方式，本專利技術(shù)的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本
的技術(shù)人員在本專利技術(shù)披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡(jiǎn)單變化或等效替換均落入本專利技術(shù)的保護(hù)范圍內(nèi)。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于光波導(dǎo)單側(cè)耦合微腔陣列的全光開關(guān)，其特征在于，其結(jié)構(gòu)為：三個(gè)非直接耦合的具有相同諧振頻率的微腔分別與光波導(dǎo)耦合，并假定三個(gè)微腔具有相同的耗散系數(shù)k

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于光波導(dǎo)單側(cè)耦合微腔陣列的全光開關(guān)，其特征在于，其結(jié)構(gòu)為：三個(gè)非直接耦合的具有相同諧振頻率的微腔分別與光波導(dǎo)耦合，并假定三個(gè)微腔具有相同的耗散系數(shù)k0，耗散系數(shù)k1和k2分別選定為：k...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊斌，李鶴齡，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：寧夏大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：寧夏,64