一種基于光波導(dǎo)單側(cè)耦合微腔陣列的全光開關(guān)的制作方法

本發(fā)明屬于腔量子電動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，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)。

背景技術(shù)：

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)要素：

本發(fā)明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，作控制光信號，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，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)簡單且能有效地實(shí)現(xiàn)對光的開關(guān)功能的干涉型光開關(guān)器件。本發(fā)明所討論的理論模型，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是信號光透射率隨微腔數(shù)目的變化；

圖6是信號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)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

1模型和理論分析

圖1是本發(fā)明要考慮的光纖單側(cè)耦合微腔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。為了清楚說明，本發(fā)明只畫出了一個(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＝T_nT₀T_n-1T₀....T₀T₁，T_i(i＝1,2…n)為對應(yīng)于第i個(gè)微腔單元的傳輸矩陣，

本發(fā)明定義系統(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)

本發(fā)明根據(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，作控制光信號。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：在本發(fā)明如上描述的結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，微腔對波導(dǎo)兩側(cè)的耗散非對稱(k₂＝25k₁)，故該系統(tǒng)可以視為是基于非對稱耦合的光器件。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)

下面本發(fā)明進(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)，信號光有0.72的透射率；而當(dāng)有控制光輸入時(shí)，信號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，本發(fā)明分析腔的耗散系數(shù)對信號光透射率的影響。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)，信號光的透射率約為0.68，有控制光輸入時(shí)，信號光的透射率降為0。綜合上述分析，本發(fā)明可以優(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，也就是本發(fā)明在2小節(jié)中所述光開關(guān)采用的參數(shù)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。