阅读说明：本技术 一种全光二级管器件 (All-optical diode device ) 是由 郭滨刚 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种全光二级管器件,包括第一波长选择性元件、第二波长选择性元件以及设置在第一波长选择性元件和第二波长选择性元件之间的频率转换层,频率转换层为频率转换元件或频率转换材料,所述第一波长选择性元件可透过第一波长光,反射第二波长光,所述第二波长选择性元件可反射第一波长光,透过第二波长光,所述频率转换层用于将第一波长光为第二波长光。本发明的结构能实现对光路的正向导通和反向截止,有高的正反向光信号传输的导通/截止强度比,且结构简单,易于集成,制作周期短,成本低、信号光源波长频率可选择、可调控。(The invention relates to an all-optical diode device which comprises a first wavelength selective element, a second wavelength selective element and a frequency conversion layer arranged between the first wavelength selective element and the second wavelength selective element, wherein the frequency conversion layer is a frequency conversion element or a frequency conversion material, the first wavelength selective element can transmit first wavelength light and reflect second wavelength light, the second wavelength selective element can reflect the first wavelength light and transmit the second wavelength light, and the frequency conversion layer is used for converting the first wavelength light into the second wavelength light. The structure of the invention can realize forward conduction and reverse cut-off of the optical path, has high on/cut-off intensity ratio of forward and reverse optical signal transmission, and has the advantages of simple structure, easy integration, short manufacturing period, low cost, selectable and adjustable wavelength frequency of the signal light source.)

一种全光二级管器件

技术领域

本发明涉及一种全光二级管器件。

背景技术

全光二极管是一种能够实现光信号单向导通反向截止的集成光子器件，完全利用光与物质的相互作用来实现信号光束的单向导通、反向截止、及导通特性调控等功能，是构造集成光子回路、实现光信号调控和光计算的核心器件之一，在光通讯、光互联网络以及超快速信息处理等领域都具有非常重要的应用背景。如何有效增强全光二极管的单向透射性、光隔离度、波长转换范围等性能，一直是学者们研究的重点。

现有技术中出现了一些全光二级管器件，但存在以下缺点：

1、现有技术结构设计复杂，实现起来需要的设备昂贵，多处于实验阶段，制作工艺难，制作周期长，效率极低，导致器件成本极高，无法实现批量生产应用。

2、现有技术的结构存在信号光的输入输出特性商不可调控，因此不具有信号传输的实用性，有效使用频率一般在能带边缘，信号导通截止性能不稳定。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，为此，提供一种全光二级管器件，包括第一波长选择性元件、第二波长选择性元件以及设置在第一波长选择性元件和第二波长选择性元件之间的频率转换层，所述频率转换层为频率转换元件和频率转换材料中的一种，所述第一波长选择性元件可透过第一波长光，反射第二波长光，所述第二波长选择性元件可反射第一波长光，透过第二波长光，所述频率转换件用于将第一波长光转换为第二波长光。

进一步地，所述第一波长选择性元件、第二波长选择性元件为一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体、带通滤波光学薄膜的一种或数种。

进一步地，频率转换元件为非线性光学晶体元件，频率转换材料为上转换发光材料、下转换发光材料中的一种或数种。

进一步地，所述第一波长选择性器件、第二波长选择性器件均设置有基底，所述第一波长选择性器件、第二波长选择性器件附在基底。

进一步地，所述基底的材料为耐高温的有机玻璃或塑料。

进一步地，所述基底与波长选择器接触的一面的光洁度IV级，透光率93％以上。

本发明的有益效果是：本发明的结构能实现对光路的正向导通和反向截止，有高的正反向光信号传输的导通/截止强度比，且结构简单，易于集成，制作周期短，成本低、信号光源波长频率可选择、可调控，因此其作为光开关器件，其信号控制、设定的自由度高，并且可以实现多路复用，传输信息容量大，数据保密性优。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构实施仿真图。

图3为本发明结构实施示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1，一种全光二级管器件，包括第一波长选择性元件1、第二波长选择性元件2以及设置在第一波长选择性元件1和第二波长选择性元件2之间的频率转换件3，所述第一波长选择性元件1可透过第一波长光，反射第二波长光，所述第二波长选择性元件2可反射第一波长光，透过第二波长光，所述频率转换件3用于将第一波长光转化为第二波长光，为频率转换元件或频率转换材料中的一种。

本发明的全光二级管器件工作原理：

光信号源向第一波长选择性元件发射特定波长的第一波长光，第一波长光可透过第一波长选择性元件经过频率转换层转成第二波长光，第二波长光从第二波长选择性元件透射出，当光信号源向第二波长选择性元件发射特定波长的第一波长光时由于第二波长选择性元件反射第一波长光，所以几乎无光从该元件中透射，这，样就实现了全光二级管器件的单向透射性。

所述第一波长选择性元件1、第二波长选择性元件2均设置有基底，所述第一波长选择性元件1、第二波长选择性元件2附在基底4。

所述基底4的材料为耐高温的有机玻璃或塑料。

所述基底4与波长选择器接触的一面的光洁度IV级，透光率93％以上。

优选地，所述第一波长选择性元件1、第二波长选择性元件2为一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体、带通滤波光学薄膜等光滤波器件中的一种或数种。当第二波长选择性元件为一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体、带通滤波光学薄膜等光滤波器件中的数种时，数种光滤波器采用光学胶与频率转换层贴合，除了光学胶贴合外，还可以通过真空镀，真空溅射和离子镀及化学气相沉积等镀膜方式复合或通过真空镀，真空溅射和离子镀及化学气相沉积等镀膜方式附在基底上的一面，基底的另一面通过光合胶与频率转换层贴合，基底的折射率与光合胶的折射率相近且不吸收第一波长光和第二波长光。

优选地，所述频率转换元件为非线性光学晶体元件，频率转换材料为上转换发光材料、下转换发光材料中的一种或数种。所述频率转换材料为上转换发光材料、下转换发光材料中的数种时，数种材料之间通过光学胶混合而成。所述非线性光学晶体元件为BBO晶体、CLBO晶体、LBO晶体、KTP晶体、GTR-KTP晶体、RTP晶体、KTA晶体、BIB3O6晶体、LiNbO3晶体、MgO:LiNbO3晶体、LiIO3晶体或KD*P&KDP晶体,

所述频率转换层通过光学胶与第一波长选择元件、第二波长选择元件粘合成一体，所述光学胶为有机硅胶与不饱和聚酯、聚氨酯、环氧树脂或光固化胶组成的合成树脂透明胶粘剂，本发明中优先选用固化后折射率较高的环氧树脂、光固化胶。

以下根据一个例子说明本发明实施的效果：

根据以上结构，光信号源发射出波长为450nm的蓝光，光信号源从第一波长选择性元件入射光为正向，光信号源从第二波长选择性元件入射光为反向，第一波长选择性元件和第二波长选择性元件为基于光子晶体结构的特定波长选择器件为例，频率转换层可将波长450nm的蓝光信号转换成波长为660nm的红光信号，第一波长选择性元件反射波长为660nm的红光、同时透射波长为450nm的蓝光，第二波长选择性元件反射波长为450nm的蓝光、同时透射波长为660nm的红光。通过实验得到图2，从图2中，正向入射时，有光透过，反向入射时，光透过率几乎为零。

光在介质中传播，当光强较弱时，介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，光不改变介质的物理性质，光的传播遵循线性光学的规律。而当光强大小达到激光的强度时，光会与介质相互作用，改变介质如折射率和极化率等物理性质，产生高次谐波、光学混频、受激拉曼辐射等非线性光学效应。

以下对频率转换层选用非线性系数较高的非线性光学晶体，通过倍频效应，达到频率转换的效果进行说明：

倍频原理如下：频率ω₁入射非线性光子晶体中，当满足相位匹配条件2k(ω₁)＝k(ω₂≡2ω₁)时，能实现频率ω1→ω2的频率转换(其中k(ω₁)为频率为ω₁光子的频率，k(ω₂)为倍频光子的坡率)。以负单轴晶体(n_o>n_e，n_o为o光(寻常光)折射率，n_e为e光(非常光)折射率)为例，倍频效应可通过两种相位匹配方式实现。第I类相位匹配，通过两个相同频率的o光，转化为一个倍频的e光，即k_o(ω)+k_o(ω)→k_e(2ω)。第II类相位匹配，通过一个o光和一个相同频率的e光，转化为一个倍频的e光，即k_o(ω)+k_o(ω)→k_e(2ω)。

本发明中，频率转换层以负单轴晶体偏硼酸钡(BBO)为倍频转化材料，通过角度调谐实现I类相位匹配。要满足相位匹配k_o(ω)，则需要no(ω,θm)＝ne(2ω,θm)，即当频率为ω的寻常光束沿偏离BBO晶体光轴(z轴)θm角度在晶体中传播时，倍频e光的折射率ne(2ω,θm)与原频率o光的折射率no(ω,θm)相同。

见图3，光信号源发射出波长为1064nm的激光信号(强度约100GW/cm2)沿着Z轴通过第一波长选择元件，照射到厚度为0.5mm以上且小于1mm的片状BBO晶体上，该晶体经过切割处理后，满足I类相位匹配。使其主光轴与垂直于该晶体表面的z轴形成一个相位匹配角θm。相位匹配角θ根据塞耳迈尔(Sellmeier)等式计算出θm的值。该相位匹配角θm使波长为1064nm的激光在晶体中经过非线性倍频效应，转化为532nm波长出射，其间由于激光不可能一次完全转化，部分未转换的激光被第二波长选择元件反射，再经非线性倍频效应转化成出射光，被第一波长选择元件反射，此时由于出射光不满足产生非线性倍频效应的条件，因此其不受非线性光学晶体的影响，向第二波长选择元件方向出射。

BBO晶体进行倍频转换以仅仅是本发明的一个实施例。本领域技术人员可根据波长频率转换的需要，选择一特定的非线性光子晶体材料和非线性光学效应，进行频率转换件的结构和尺寸设计。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。