[發(fā)明專利]一種受拓?fù)浔Ｗo(hù)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010338510.5
• 申請(qǐng)日: 2020-04-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113552670B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭小偉;楊沛霖;蔣鵬鵬;李紹榮;楊承
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/125
• 分類號(hào): G02B6/125;G02B6/122;G02B6/293
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)提供了一種受拓?fù)浔Ｗo(hù)的馬赫?曾德?tīng)柛缮鎯x。該干涉儀由二維拓?fù)涔庾泳w波導(dǎo)集成而成，包括兩種拓?fù)渲笖?shù)不同的谷光子晶體。該馬赫?曾德?tīng)柛缮鎯x，具有單向傳輸、免疫后向散射、免疫缺陷、和多種襯底材料兼容等特點(diǎn)，具有高效性和魯棒性，在保持高效率輸出的同時(shí)可以免受制作缺陷帶來(lái)的干擾，穩(wěn)定工作。為未來(lái)的全光網(wǎng)絡(luò)、生物傳感、光譜分析等提供了一種高效且穩(wěn)定的光子晶體MZI的實(shí)現(xiàn)方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光子晶體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有拓?fù)溥吔鐟B(tài)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x。

背景技術(shù)

馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(Mach-Zehnder interferometer，MZI)，作為最廣泛使用的光學(xué)元件之一，由于對(duì)周圍環(huán)境介質(zhì)具有高度靈敏性，是用來(lái)測(cè)量相關(guān)物理特性(折射率或密度等)相對(duì)變化量的常用手段。它已被廣泛用于實(shí)現(xiàn)各種光子設(shè)備，例如光開(kāi)關(guān)，濾波器，強(qiáng)度調(diào)制器，折射率探測(cè)器，位移測(cè)量器等。

使用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的傳統(tǒng)硅基MZI是一種相對(duì)比較成熟的技術(shù)，但是這種MZI的傳播常數(shù)擾動(dòng)變化量Δβ相當(dāng)?shù)汀Ｒ驗(yàn)橄辔蛔兓c傳播常數(shù)變化量Δβ和波導(dǎo)長(zhǎng)度L的關(guān)系滿足：Δφ＝Δβ×L，所以波導(dǎo)的長(zhǎng)度需要很長(zhǎng)，傳統(tǒng)的硅基MZI中干涉臂的長(zhǎng)度通常需要二分之一到幾毫米才能滿足相位偏移的需求。雖然使用諧振增強(qiáng)的方法可以提高M(jìn)ZI的靈敏度，但是，這種做法會(huì)限制器件的帶寬，并且使其對(duì)制造缺陷非常敏感。

使用光子晶體(PC)波導(dǎo)的MZI通過(guò)引入慢光效應(yīng)，具有更大的Δβ。因此，PC-MZI可以在保留帶寬的同時(shí)極大地縮短干涉臂的長(zhǎng)度。PC-MZI中干涉臂的長(zhǎng)度通常僅為幾十微米，比硅基波導(dǎo)MZI小了10幾倍。短的干涉臂長(zhǎng)度不僅使器件更加緊湊，而且能保證低的傳播損耗，避免了傳統(tǒng)硅基波導(dǎo)MZI中輸入和輸出端口的耦合損耗。但是，基于PC實(shí)現(xiàn)的MZI，制造過(guò)程不可避免地會(huì)出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷。結(jié)果，光傳輸過(guò)程會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反向散射，引起器件的功率下降。因此迫切需求設(shè)計(jì)出具有魯棒性的光子晶體波導(dǎo)，使其免受制造缺陷給器件可靠性帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種受拓?fù)浔Ｗo(hù)的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(TPMZI)，使干涉儀能保證高效率輸出的同時(shí)可以免受制作缺陷的干擾，穩(wěn)定工作。

本發(fā)明所述的TPMZI由二維拓?fù)涔庾泳w波導(dǎo)集成而成，包括分束波導(dǎo)、合波波導(dǎo)、輸入、輸出耦合波導(dǎo)、干涉臂波導(dǎo)、參考臂波導(dǎo)和中間界面波導(dǎo)。

所述二維拓?fù)涔庾泳w波導(dǎo)基于谷霍爾量子效應(yīng)，由兩種拓?fù)渲笖?shù)不相等的谷光子晶體(VPC)組成，它們拼接的邊界呈“zig-zag”型。這種拓?fù)渲笖?shù)不相等的“zig-zag”型邊界稱為疇壁，光可以沿著所述的疇壁進(jìn)行單向傳播。

所述VPC原胞中介質(zhì)柱材料為硅，背景為空氣，按蜂窩狀晶格周期排列。當(dāng)VPC原胞中介質(zhì)柱的半徑相等時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)呈狄拉克錐狀，在布里淵區(qū)的非等價(jià)谷K和K’處發(fā)生簡(jiǎn)并，形成一個(gè)二重簡(jiǎn)并的狄拉克點(diǎn)。此時(shí)VPC拓?fù)渲笖?shù)等于0，呈現(xiàn)為拓?fù)淦接箲B(tài)；當(dāng)調(diào)節(jié)VPC原胞中介質(zhì)柱的半徑，通過(guò)破壞空間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，可以打開(kāi)能帶中的狄拉克點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)拓?fù)湎嘧儭４藭r(shí)VPC拓?fù)渲笖?shù)不等于0，呈現(xiàn)為拓?fù)浞瞧接箲B(tài)。其中VPC原胞中兩個(gè)介質(zhì)柱的半徑差Δr0和Δr＜0這兩種類型的拓?fù)渲笖?shù)互為相反數(shù)(±1)，分別記為VPC1和VPC2。

所述二維拓?fù)涔庾泳w波導(dǎo)的疇壁類型有兩種，記為“S型”和“L型”，分別對(duì)應(yīng)VPC1在拼接處的邊界上方和VPC2在拼接處的邊界上方的情況。

上述方案中，所述的分束波導(dǎo)、合波波導(dǎo)呈Y型結(jié)構(gòu)，分束和合波角度為120°。

上述方案中，所述的中間界面波導(dǎo)與其他波導(dǎo)疇壁類型不同。

現(xiàn)有MZI一般利用脊波導(dǎo)或傳統(tǒng)光子晶體實(shí)現(xiàn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的MZI具有以下優(yōu)良性質(zhì)：

一、效率高：該MZI受拓?fù)浔Ｗo(hù)，光沿著疇壁單向傳播，避免了后向反射帶來(lái)的功率損耗。