[发明专利]基于光子晶体微腔的动态调Q装置和方法

说明书

本发明公开了基于光子晶体微腔的动态调Q装置，包括波长可调谐脉冲激光器、p‑i‑n结电光调制器以及光子晶体微腔‑波导结构；所述光子晶体微腔‑波导结构由前侧光子晶体波导、多模光子晶体微腔、后侧光子晶体波导组成；所述前侧光子晶体波导位于多模光子晶体微腔的左侧，后侧光子晶体波导位于多模光子晶体微腔的右侧。本发明还公开了基于光子晶体微腔的动态调Q方法。本发明结构简单，易于实现和集成，可以通过对多模光子晶体微腔的形状、结构和尺寸的精细设计来自由操控低Q值腔模和超高Q值腔模的谐振频率和Q值大小，使多模光子晶体微腔具有较大的动态调Q范围及较大的工作带宽。

技术领域

本发明涉及光子晶体微腔，特别涉及基于光子晶体微腔的动态调Q装置和方法。

背景技术

高Q值微腔由于能把光长时间地局域在亚波长量级的微小空间内，使得腔内光与物质相互作用大大增强，因而在全光开关、光二极管、全光波长转换等领域具有广泛的应用前景。近年来，随着微纳光子技术的飞速发展，品质因子超过10⁵的超高Q值微腔已经实现。然而，高Q值微腔面临着一个基本的困难：一方面，微腔的Q值越高，则光子在微腔中的存储寿命越长；但另一方面，由于高Q值微腔对应的腔模线宽很窄，因此允许耦合入微腔的脉冲信号光的带宽也必然很窄，并导致信号光进入和离开高Q值微腔的速度极慢(与Q值成反比)，这显然对高速、宽带光信号处理的要求是不利的。

解决上述问题的关键，便是动态调Q：首先，将微腔调至较低Q值状态，以便让具有较大带宽的脉冲信号光从波导快速耦合进微腔，此时微腔处于“开态”；接着，待脉冲信号光完全进入微腔后，迅速将微腔调至超高Q值，让“俘获”的信号光很难从微腔溢出，此时微腔处于“闭态”，使光能较长时间地局域在腔内，从而获得显著的光延迟，增强光与物质的相互作用；当需要释放时，再次将微腔调至低Q状态，存储的信号光便能迅速从微腔耦合入出射波导。这样便能显著增大延迟-带宽乘积，突破它们之间矛盾关系的限制。然而，对微腔实现大幅度的动态调Q具有相当的难度，目前的实现途径很少，主要是通过在光子晶体波导一侧引入反射镜、并借助精确的超快相位调制控制入射光与反射光干涉相消或相长、使微腔在“闭态”和“开态”之间切换，或者是通过对多个耦合微腔的谐振波长同时进行绝热波长转换产生类似电磁感应透明效应来实现的。这些动态调Q的方式，不论是基于相位调制的干涉效应，还是基于多微腔谐振频率调制的类电磁感应透明效应，所涉及的技术都十分复杂，对实验条件要求很苛刻，其应用也因此受到局限。因此，探讨一种更为简单有效的动态调Q方法、在单个微腔中实现动态调Q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微腔的动态调Q装置，结构简单，易于实现和集成。

本发明的另一目的在于提供一种基于光子晶体微腔的动态调Q方法，具有较大带宽的信号光既能快速地耦合入微腔，又能长时间地局域在微腔内，并在需要的时候快速释放。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

基于光子晶体微腔的动态调Q装置，包括波长可调谐脉冲激光器、p-i-n结电光调制器以及光子晶体微腔-波导结构；所述波长可调谐脉冲激光器用于提供入射信号光；所述p-i-n结电光调制器用于对光子晶体微腔折射率进行动态调制；

所述光子晶体微腔-波导结构由前侧光子晶体波导、多模光子晶体微腔、后侧光子晶体波导组成；所述前侧光子晶体波导位于多模光子晶体微腔的左侧，后侧光子晶体波导位于多模光子晶体微腔的右侧；

所述光子晶体由圆形空气孔在硅材料平板中构成三角晶格；所述空气孔的直径为0.4a，其中a为光子晶体的晶格常数；所述硅材料平板的厚度为0.5a；

所述多模光子晶体微腔由在光子晶体芯片中央沿水平方向移去6至14个空气孔而形成，包含1个低Q值腔模和1个超高Q值腔模，所述低Q值腔模的Q值小于15000；所述超高Q值腔模Q值大于100000；所述较低Q值腔模的谐振频率与入射脉冲信号光的中心频率相同；