[发明专利]基于光子晶体的非互易光传输装置及非互易光传输方法

说明书

本发明公开了一种基于光子晶体的非互易光传输方法，通过对光子晶体波导进行微结构设计，使光子晶体微腔与前、后两侧光子晶体波导间的耦合系数产生较为明显的差异，从而使得信号光耦合入微腔的难易程度与信号光的入射方向显著相关，而耦合入微腔的信号光能量大小将决定腔内能量是否达到微腔“高能量透射谐振态”的阈值，进而影响到信号光的传输是导通还是被截止，从而实现信号光的非互易传输。本发明还公开了一种基于光子晶体的非互易光传输装置。本发明可以通过对构成光子晶体波导的微介质柱尺寸进行精细调节来自由操控信号光导通的方向，并具有较高的正反向传输对比度及较大的工作带宽。

技术领域

本发明涉及微纳光子学领域，特别涉及基于光子晶体的非互易光传输装置及非互易光传输方法。

背景技术

光的非互易传输是指允许光仅沿着一个方向传输，而相反方向的光传输则被抑止。这与具有p-n结的电子二极管的单向传输效应非常类似，因而在全光计算、激光技术、全光信息处理等领域具有广泛的应用前景。随着微纳光子技术的飞速发展，人们对光的非互易传输提出了新的要求。一方面，要求全光非互易传输装置具有微纳尺寸，以便实现光子芯片集成；另一方面，要求光的非互易传输能在较低光功率下运作，并具有很高的正反向传输对比度，以适用于将来光子计算机和光量子通信等芯片级技术的需求。

打破光传输的时间反演对称性是实现光非互易传输的关键。目前，人们已经提出了许多不同的实现光非互易传输的机制和方法，例如使用超材料、可调液晶、磁光材料、不可逆损耗、非线性谐波产生、间接带间光子跃迁等。其中，基于磁光效应的非互易光传输是研究得最早、最广泛的，但是由于它需要外加强磁场以及在制作工艺上无法与标准的硅(Si)基CMOS工艺相匹配，因此很难适用于如今高度集成的光子芯片。而基于非线性光学效应的非互易光传输则不需要外加强磁场，而是通过设计具有不对称结构的微腔-波导系统，借助非线性光学效应对微腔折射率进行非对称调控，从而实现光的非互易传输。这种方式能够实现全光操控，而且适合于半导体CMOS工艺的光子芯片集成，是当前非互易光传输研究的主流方式。

为实现超高的非互易光传输对比度，采用非对称的Fano微腔-波导结构是一种较为理想的解决方案，其典型特征是Fano透射谱线具有明显的不对称性，并且从谱线的谷值(透射率为0)到峰值有着尖锐的突变。然而，正如Fan等人所指出的，所有Fano型非互易光传输的工作带宽都极小。例如，2012年美国科学院院士Weiner及普度大学的齐明浩教授提出了一种非对称的Si基微环谐振腔-波导结构，在入射功率为2.1毫瓦时，获得了27dB的正反向光传输对比度，但正向透射率却很低，不到-30dB，而且带宽极小，不超过0.01nm。虽然Weiner和齐明浩等人提出通过“加热”的方式对微腔谐振波长进行调节以增大带宽，但这既不利于光子芯片集成，也不利于光二极管的高速响应。因此，寻找同时实现较高传输对比度和较大工作宽的非互易光传输方法是十分重要和关键的。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于光子晶体的非互易光传输装置，使非互易光传输既具有较高的正反向传输对比度，同时又具有较高的正向(或反向)透射率以及较大的工作带宽。

本发明的另一目的在于提供上述基于非互易光传输装置的非互易光传输方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

基于光子晶体的非互易光传输装置，包括波长可调谐连续波激光器、功率可调超短脉冲激光器以及光子晶体非互易微腔-波导结构；

所述光子晶体非互易微腔-波导结构由前侧光子晶体波导、光子晶体微腔、后侧光子晶体波导组成；所述前侧光子晶体波导位于光子晶体微腔的左侧，后侧光子晶体波导位于光子晶体微腔的右侧；

所述功率可调超短脉冲激光器用于对光子晶体微腔泵浦；所述波长可调谐连续波激光器用于提供入射信号光。