輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實現方法

2023-06-01 16:36:21

專利名稱：輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實現方法
技術領域：
本發明涉及一種輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實現方法，屬全光 開關的技術領域。
背景技術：
作為實現未來全光網絡的關鍵器件之一，全光開關成為近年來研究的熱點。到目前為止， 全光開關的研究主要集中在半導體(文獻1， Hirohito Yamada, Tao Chu, Makoto Tojo, Shigeru Nakamura, Masatoshi Tokushima, Yutaka rino, Satomi Ishida and Yasuhiko Arakawa. A compact optical switch module with Si-wire waveguides. 2007 IEEE.和文獻2， TEIXEIRAA， SILVEIRA T, et al. All-Optical Switching With SOA Based Devices. Mv朋ceii (9ptoe/e"廣歸'"'cwt/ 2005， (1): 52 55 ),光纖(文獻3' Yokota, H. Kobavashi, M. Mineo, H. Kagawa, Hi Kanbe, H. Sasaki, Y. Demonstration of an all-optical switching operation using an optical fiber grating coupler. Opto Co畫ww'ca"'cw， v 281, n 19, p 4893-4898， October 1, 2008,禾口文南犬4， LIU Jian-guo' XUE Li-fang， KAI Gui-yun， et al. Al-Optical Fiber Switching Based on Cross-Phase Modulation in High- Nonlinear Photonic Crystal Fiber Sagnac Loop Mirror. CW"咖
2007， 5(1): 214 217)和光子晶體上。光子晶體具有光子帶隙，能夠非常有效的 控制光子傳輸狀態，成為製備集成光子器件的主要基礎。光子晶體具有抑制自發輻射、體積 小、易於集成等良好特性，在全光開光應用中具有更好的優勢。(文獻5， ZHENG Cui， TIAN Hui-ping， LI Chang國hong， et al. Band Gap Structure and Filter Properties of Photonic Crystals with GCLM Defect. Acta Photonica Sinica. 2008' 37(1): 101 105'和文獻6， ZHANG Wen-fu， FANG Qiang， CHENG Yi-hua， et al. Narrow Band Interleaver Based on One-Dimensional Photonic Crystal with Positive-Negative Index Alternant Multilayer. Acta Optica Sinica. 2007， 27(9): 1695 1699，和文獻7, Belotti, Michele; Galisteo-Lopez, Juan F; De Angelis,Saxa; Galli， Matteo; Maksymov, Ivan; Andreani， Lucio Claudio; Peyrade,David; Chen Yong. All-optica] switchswitching in 2D silicon photonic crystal with loss waveguides and optical cavities. Optics Express, v 16, n 15, pi 1624-1163 6, July 21, 2008.)。光子晶體實現全光開關有多種途徑，如通過光子帶隙遷移(文獻8, SCALORA M， DOWLING J P， BOWDEN C M， et al. Optical Limiting and Switching of Ultrashort Pulses in Nonlinear Photonic Band Gap Materials, 屍一z'ccr/
1994， 73(10): 1368~1371)、通過缺陷模式遷移(文獻9， TRANP. Optical Limiting and Switching of Short Pulses by Use of a Nonlinear Photonic Bandgap Structure with a Defect ■/ownw/o/Y/ze Qp"ca/ojMwm'c" 1997, 14(10): 2589 2595)、通過非線性頻率轉 換(文獻10， Schmid, R.P.; Reif， J. Efficient instantaneous optical switching and frequency conversion on a femtosecond time scale. Lasers snd Electro-Optical Europe, 2003. CLEO/Europe. 2003.)等等。在光子晶體中引入非線性材料，並通過光子與非線性材料的相互作用可以實現 全光開光的功能。但是會存在一個問題，就是利用局域光場增強非線性效應時難以實現光強 對摺射率的穩定控制。在一維光子晶體中引入缺陷，可在缺陷層中得到很強的光局域(文獻 11， Trofimov, Vyacheslav A， Tereshin， Evgenii B. Influence of Anderson localization on Nonlinear light localization in 1-D photonic crystal. - 772e Soc/e/y./^ - Op/7co/ ￡"g7'"eeri"g,
v 5949, p 1-10, 2005)，若此層由非線性材料構成，則非線性效應可大大增強；但上述問題在 全光開關的設計中是必須考慮的，因為全光開關的實現依賴於材料非線性介質折射率的改變 量An，而An與缺陷層中的局域因子密切相關且相互影響。如果An不能是定值，即光子晶體 的透射狀態不能穩定，全光開關也就無法實現。

發明內容
本發明目的在於解決設計光子晶體全光開關所存在的上述問題，從而提出了一種含多缺 陷的一維非線性光子晶體全光開關。該光開關可以在半導體材料基板上通過深刻蝕法製備出 具有多缺陷的一維非線性光子晶體，利用非線性層的三階非線性光學Kerr效應實現對信號光 的"開"、"關"控制。
在利用光子晶體實現全光開關基本原理的基礎上，通過引入多個非線性缺陷層，並調整 各介質層參數形成寬帶缺陷模，通過讓泵浦光落在寬帶缺陷模內，實現泵浦光強對非線性層 折射率的穩定控制，進而光開關的輸出狀態得到穩定控制。
本發明的目的可通過如下措施來實現
一種輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實現方法，其中 該光開關是在一維光子晶體中引入多缺陷層實現，其中該一維光子晶體由兩種不同的介 質層A， B交替堆砌，中間加入缺陷層D，可以用深刻蝕法製作。
所述的多缺陷一維光子晶體結構為兩個(AB)SD(BAfB(AB)WD(BA)s型級聯而成，其中
4S=N=2。
所述的介質層A， B為線性介質層。 所述的缺陷層D為非線性介質層。
所述A， B層的光學厚度為1/4波長，即a*"。=6* =;/4，其中^是中心波長，a， b分別 是A， B層的幾何厚度，"。， 分別是A， B層介質的折射率。
所述缺陷層D光學厚度為半波長，即~。=^/2，其中d為D層介質的兒何厚度， 。是 D層介質的線性折射率。
所述一維光子晶體中，"。=3.5， 。=2.5。
所述一維光子晶體中B層折射率為1，即空氣層，可以用深刻蝕法製作。 所述光子晶體的非線性缺陷層，由於克爾效應，缺陷層折射率隨泵浦光強變化，可以表 示為"(z) = "。+r/(z) = "。+^G(z)./m ，其中 。為缺陷層折射率的線性部分；q是與/3'有 關的非線性折射率係數，義(3)是D層非線性材料的三階非線性極化率；/(V是缺陷層中的光
場強度，4為泵浦光的入射光強。
與傳統方法相比本發明有如下優點
利用非線性光子晶體設計全光開關存在著輸出狀態不能穩定控制的問題，這個問題的主 要原因是光子晶體非線性層的光場分布和折射率會交互影響。本方案在此結構光子晶體的透 射譜中實現了平坦的，近乎完全透射的寬帶缺陷模，讓光開關的泵浦光頻率落入寬帶缺陷模 中，寬帶缺陷模隨入射泵浦光強的移動很小，泵浦光的透射率不會有明顯變化，從而窄帶缺 陷模移動後位置固定，實現光開關狀態的穩定控制。同時，由於在兩個非線性缺陷層D中可 以實現對稱分布的、具有很高強度的光局域，D層非線性效應大大增強，這種全光開關對泵 浦光強和介質的非線性係數要求很小。
本發明的原理如下
它由兩個(AB)SD(BA,B(ABfD(BA)s型結構光T晶體級聯而成，其中A、 B層由線性介 質構成，D層由非線性介質構成。在光子晶體結構中引入缺陷可以導致禁帶內出現很窄的透 射峰，當引入多層缺陷時，光子晶體的禁帶內也將出現多個透射峰。調整 (AB)SD(BA)NB(AB)ND(BA)S結構光子晶體的周期數S、 N，可以在此結構光子晶體中心頻率 附近實現平坦的，近乎完全透射的寬帶缺陷模。然後將兩個(AB)SD(BAfB(AB,D(BA)s型結 構級聯，就在寬帶缺陷模兩側各會出現一個窄帶透射峰。接著調整各層介質折射率，使所出現的寬帶缺陷模和窄帶缺陷模更利於應用。任選一個窄帶峰作為信號光透射通道，寬帶缺陷 模作為泵浦光通道。
根據三階非線性克爾效應，半導體非線性材料受到強泵浦光作用時，其折射率n將發生 變化。非線性材料層折射率的變化將引起光子晶體兩側缺陷模的偏移，這種偏移將引起信號 光透射率的改變，由原來的透射變為不能透射，從而實現對信號光的"開"和"關"的控制。 讓泵浦光落入寬帶缺陷模中，這樣就避免了光子帶隙偏移後泵浦光頻率對應透射率的變化會 導致光場重新分布，而泵浦光強引起非線性介質折射率的改變量固定，窄帶透射峰的偏移量 就也是定值，從而實現了泵浦光強對開關輸出狀態的穩定控制。
在不考慮吸收損耗的情況下，當泵浦光強為0時，泵浦光頻率處透射率為1，信號光頻 率處透射率也為1,即信號光完全透射，對應"開"狀態；當泵浦光強變為To時，整個光子 晶體的透射譜向長波方向移動，泵浦光頻率處的透射率幾乎沒有變化，但是信號光則由完全 透射變成了零透射，對應"關"狀態，從而實現了透射比極大的光開光。


以下各圖所取的光子晶體的結構參數均與具體實施方式
中相同。
圖1是含多缺陷的一維光子晶體示意圖，其結構為兩個(ABfD(BA)、(ABfD(BA)s級聯 而成，S=N=2。各層介質折射率分別為"。=3.5， "6=1, =2.5。
圖2是只有信號光時，本方案結構的光子晶體的透射譜曲線。其中橫軸表示入射信號的 歸一化頻率，中心頻率為1550nm波長對應的頻率；縱軸表示光子晶體的透射率。
圖3是本方案的光子晶體結構的場分布。其中橫軸表示z方向的距離(取Z(H))，縱軸 表示局域因子G (z)。
圖4是光子晶體寬帶缺陷模，其中，實線表示泵浦光強為O時寬帶缺陷模的位置；虛線 表示泵浦光強為Io時寬帶缺陷模的位置。
圖5是圖2中光子晶體右邊窄帶缺陷模，實線是泵浦光強為O時窄帶缺陷模的位置；虛 線表示泵浦光強為Io時窄帶缺陷模的位置。
圖6是信號光的透射率隨入射泵浦光強的變化曲線。
圖7是寬帶缺陷模處泵浦光的透射率隨入射泵浦光強的變化曲線。
圖8是本方案實現光開關的原理圖。
具體實施方式
光開光由兩個(AB)SD(BA戶B(ABfD(BA)s周期型結構(如圖1所示)光了晶體級聯而成， 其中A、 B層由線性介質構成，D層由非線性介質構成。
首先調節參數S、 N，在中心頻率處找到一個寬帶缺陷模；當S=N=2時，會形成一個寬 帶缺陷模。再調節A、 B、 D各層介質折射率，當叫=1時，會在左右兩個缺陷層中實現場強 的對稱分布，使寬帶缺陷模更平坦。再調整到合適的A、 B層折射率，以在缺陷層中產生較 強的場強分布和可以實際應用的寬帶缺陷模與窄帶缺陷模，如圖3和圖2所示。
B層折射率為l，為空氣層，目前可以在基板上利用深刻蝕法製作。
(1) 光開關效應的實現。 利用非線性材料的三階非線性光學克爾效應來實現光開關。在強光的作用下非線性材料
的折射率n隨泵浦光強發生變化
"O) = /(z) = G(z) /,
其中，w。是材料的線性折射率，為常數。q是與/"有關的非線性折射率係數；/"是D
層非線性材料的三階非線性極化率。/rv是缺陷層中的光場強度，可以用泵浦光的入射光強
/,,,與G^^的乘積來表示。缺陷層材料折射率的變化，將引起光子帶隙中缺陷模的位置發生改 變。
當材料的非線性折射率係數為正值時，依據非線性光學克爾效應，在泵浦光的作用下， 材料的折射率將增加，從而使光子晶體缺陷模向長波方向移動。當材料的非線性折射率係數 為負值時，在泵浦光的作用下，材料折射率將減小，從而使光子晶體缺陷模向短波方向移動。 選擇信號光的波長位於窄帶缺陷模處，泵浦光波長位於寬帶缺陷模內。隨著泵浦光入射光強 的增加，窄帶缺陷模位置發生很大偏移，引起信號光從完全透射變為零透射，實現"開"和 "關"的功能。而寬帶缺陷模發生的偏移很小，當泵浦光入射光強大到足以實現光開關功能 時，泵浦光的透射幾乎沒有改變。這樣，在一定的泵浦光強下，窄帶缺陷模偏移後的位置就 會固定，可以通過改變泵浦光強來對信號光透射狀態的穩定控制。
(2) 泵浦光可以對光開關輸出狀態穩定控制的體現。
首先對入射泵浦光強分別是0和/。時寬帶缺陷模和窄帶缺陷的位置用一維傳輸矩陣法進 行數值仿真。由於泵浦光強遠遠大於信號光強，忽略信號光強。改變入射泵浦光的強度，使 其從零逐步增加，分別對寬帶缺陷模和窄帶缺陷模中心頻率處，泵浦光和信號光的透射率隨 泵浦光強的變化做數值仿真。上述曲線即可反映泵浦光強可以對信號光傳輸過程的開關控制作用和在足以實現光開關功能的光強下，由泵浦光引起的非線性介質折射率的改變量為定值， 開關的輸出狀態也會穩定。
實施實例在1550nm波長附近實現輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關 的實現方法。
選取具有較高三階非線性極化率的Ti02作為非線性缺陷層D層的材料，介質折射率的線 性部分為~。=2.5，非線性折射率係數為-6.32xlO"Vm kW。 A層選用常用的半導體材料Si，折 射率為"3=3.5; B層為空氣。a、 b、 d分別是對應各層的厚度，滿足fl、產^"f4/4， d4fl/2/2.5; 義o-1550nm， <Ufl=2nc/^o。
泵浦光頻率Wp-,，光強104kW/cm2;信號光頻率w屍1.029644coQ,光強遠小於泵 浦光強。
當泵浦光強為0時，光子晶體的透射譜及場分布如圖2、圖3所示，可以看出泵浦光落 入到寬帶缺陷模中，而它右邊的窄帶透射峰是信號光的通道，其中，寬帶缺陷模的頻寬是窄 帶缺陷模的100多倍。圖4、圖5中的實線和虛線分別表示泵浦光為0和/。時寬帶缺陷模和 窄帶透射峰的位置。可以看出當泵浦光強從0變為/e時，信號光由完全透射變成了零透射， 即實現了開關控制作用，而泵浦光頻率wp處的透射率幾乎沒有變化。
參照圖8，同時輸入一路信號光脈衝和一路控制信號脈衝作為泵浦光，實現對信號光的 開關功能。
如圖6和圖7所示，泵浦光強從零逐漸增加，當泵浦光強增加到50kW/cn 時，信號光 的透射率由1降到幾乎為零，從而實現非常高效的光開關。而泵浦光的透射率在光強為 0 15MW/ci^的範圍內都保持在1附近，即完全透射，這樣由泵浦光強變化引起的非線性材 料折射率改變量為定值。泵浦光強從零增加到一定量時，光開關對信號光的輸出由"開"變 為"關"，且狀態穩定。
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權利要求
1、一種輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實現方法，其中該一維光子晶體由兩個(AB)SD(BA)NB(AB)ND(BA)S型結構光子晶體級聯而成，其中A、B層由線性介質構成，D層為缺陷層，由非線性介質構成。
2、 如權利要求1所述的輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實現方法， 其特徵是由兩個S:^2的(AB)SD(BAfB(AB,D(BA)s型帶缺陷結構光子晶體級聯而成，即 包含多個缺陷層。
3、 如權利要求1或2所述的輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實現方 法，其特徵在於B層折射率為1，即為空氣層。
4、 如權利要求1或2所述的輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實現方 法，其特徵在於缺陷層非線性介質的折射率隨泵浦光強變化，可表示為formula see original document page 2其中 。為缺陷層折射率的線性部分；q是與y" 有關的非線性折射率係數，/(3)是D層非線性材料的三階非線性極化率；/W是缺陷層中的光場強度，/,"為泵浦光的入射光強。泵浦光強改變，會引起非線性介質折射率改變，從而引 起光子晶體缺陷模的偏移。
5、 如權利要求1或4所述的一種輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實現方法，其特徵是在所述缺陷結構一維光子晶體級聯結構中，會出現一個寬帶缺陷模和兩 個窄帶透射峰，在寬帶缺陷模內取一個頻率作為泵浦光，而兩個窄帶透射峰中任一個都可作為信號光通路；通過泵浦光強的變化來改變窄帶透射峰的位置，達到信號光的導通與截止， 從而實現全光開關。
6、 如權利要求1或5所述的一種輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實 現方法，其特徵在於讓泵浦光頻率落在寬帶缺陷模內，信號光頻率在窄帶缺陷模處。當泵浦 光強達到足以實現開光效應時，寬帶缺陷模偏移很小，泵浦光仍可以完全透射，因此非線性 介質折射率的改變量是定值，從而實現對開關輸出狀態的穩定控制。
全文摘要
本發明涉及一種輸出狀態穩定可控的多缺陷一維光子晶體全光開關的實現方法，本發明設計了一種一維光子晶體級聯結構，在周期性排列的線性介質層中加入具有較高非線性係數的非線性材料，利用引入多缺陷結構而產生的寬帶缺陷模和窄帶缺陷模來實現光開關效應，並同時實現泵浦光對非線性介質折射率的穩定控制，解決了全光開關設計中所存在的輸出狀態不易穩定控制的難題，從而得到實現性能穩定、響應時間快的全光開關，為未來全光通信網絡、光計算機等領域提供了一種可實現全光開關的方法。
文檔編號G02F1/35GK101598883SQ200910087698
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月3日 優先權日2009年7月3日
發明者彬 劉, 博 王, 田慧平, 紀越峰 申請人:北京郵電大學