输出状态稳定可控的多缺陷一维光子晶体全光开关的实现方法

摘要

本发明涉及一种输出状态稳定可控的多缺陷一维光子晶体全光开关的实现方法，本发明设计了一种一维光子晶体级联结构，在周期性排列的线性介质层中加入具有较高非线性系数的非线性材料，利用引入多缺陷结构而产生的宽带缺陷模和窄带缺陷模来实现光开关效应，并同时实现泵浦光对非线性介质折射率的稳定控制，解决了全光开关设计中所存在的输出状态不易稳定控制的难题，从而得到实现性能稳定、响应时间快的全光开关，为未来全光通信网络、光计算机等领域提供了一种可实现全光开关的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种输出状态稳定可控的多缺陷一维光子晶体全光开关的实现方法，属全光开关的技术领域。

背景技术

作为实现未来全光网络的关键器件之一，全光开关成为近年来研究的热点。到目前为止，全光开关的研究主要集中在半导体(文献1，Hirohito Yamada，Tao Chu，Makoto Tojo，ShigeruNakamura，Masatoshi Tokushima，Yutaka rino，Satomi Ishida and Yasuhiko Arakawa.A compactoptical switch module with Si-wire waveguides.2007 IEEE.和文献2，TEIXEIRA A，SILVEIRAT，et al.All-Optical Switching With SOA Based Devices.Advanced Optoelectronics andlasers，2005.2005，(1)：52～55)，光纤(文献3，Yokota，H.Kobayashi，M.Mineo，H.Kagawa，N.Kanbe，H.Sasaki，Y.Demonstration of an all-optical switching operation using an optical fibergrating coupler.Optics Communications，v 281，n 19，p 4893-4898，October 1，2008，和文献4，LIU Jian-guo，XUE Li-fang，KAI Gui-yun，et al.All-Optical Fiber Switching Based on Cross-PhaseModulation in High-Nonlinear Photonic Crystal Fiber Sagnac Loop Mirror.Chinese OpticsLetters.2007，5(1)：214～217)和光子晶体上。光子晶体具有光子带隙，能够非常有效的控制光子传输状态，成为制备集成光子器件的主要基础。光子晶体具有抑制自发辐射、体积小、易于集成等良好特性，在全光开光应用中具有更好的优势。(文献5，ZHENG Cui，TIANHui-ping，LI Chang-hong，et al.Band Gap Structure and Filter Properties of Photonic Crystals withGCLM Defect.Acta Photonica Sinica.2008，37(1)：101～105，和文献6，ZHANG Wen-fu，FANG Qiang，CHENG Yi-hua，et al.Narrow Band Interleaver Based on One-DimensionalPhotonic Crystal with Positive-Negative Index Alternant Multilayer.Acta Optica Sinica.2007，27(9)：1695～1699，和文献7，Belotti，Michele；Galisteo-Lopez，Juan F；De Angelis，Sara；Galli，Matteo；Maksymov，Ivan；Andreani，Lucio Claudio；Peyrade，David；Chen Yong.All-opticalswitchswitching in 2D silicon photonic crystal with loss waveguides and optical cavities.OpticsExpress，v 16，n 15，p 11624-11636，July 21，2008.)。光子晶体实现全光开关有多种途径，如通过光子带隙迁移(文献8，SCALORA M，DOWLING J P，BOWDEN C M，et al.Optical Limitingand Switching of Ultrashort Pulses in Nonlinear Photonic Band Gap Materials.Physical ReviewLetters.1994，73(10)：1368～1371)、通过缺陷模式迁移(文献9，TRAN P.Optical Limitingand Switching of Short Pulses by Use of a Nonlinear Photonic Bandgap Structure with a DefectJournal of the Optical Society of America B.1997，14(10)：2589～2595)、通过非线性频率转换(文献10，Schmid，R.P.；Reif，J.Efficient instantaneous optical switching and frequencyconversion on a femtosecond time scale.Lasers snd Electro-Optical Europe，2003.CLEO/Europe.2003.)等等。在光子晶体中引入非线性材料，并通过光子与非线性材料的相互作用可以实现全光开光的功能。但是会存在一个问题，就是利用局域光场增强非线性效应时难以实现光强对折射率的稳定控制。在一维光子晶体中引入缺陷，可在缺陷层中得到很强的光局域(文献11，Trofimov，Vyacheslav A，Tereshin，Evgenii B.Influence of Anderson localization on Nonlinearlight localization in 1-D photonic crystal.SPIE-The International Society for Optical Engineering，v 5949，p 1-10，2005)，若此层由非线性材料构成，则非线性效应可大大增强；但上述问题在全光开关的设计中是必须考虑的，因为全光开关的实现依赖于材料非线性介质折射率的改变量Δn，而Δn与缺陷层中的局域因子密切相关且相互影响。如果Δn不能是定值，即光子晶体的透射状态不能稳定，全光开关也就无法实现。

发明内容

本发明目的在于解决设计光子晶体全光开关所存在的上述问题，从而提出了一种含多缺陷的一维非线性光子晶体全光开关。该光开关可以在半导体材料基板上通过深刻蚀法制备出具有多缺陷的一维非线性光子晶体，利用非线性层的三阶非线性光学Kerr效应实现对信号光的“开”、“关”控制。

在利用光子晶体实现全光开关基本原理的基础上，通过引入多个非线性缺陷层，并调整各介质层参数形成宽带缺陷模，通过让泵浦光落在宽带缺陷模内，实现泵浦光强对非线性层折射率的稳定控制，进而光开关的输出状态得到稳定控制。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种输出状态稳定可控的多缺陷一维光子晶体全光开关的实现方法，其中：

该光开关是在一维光子晶体中引入多缺陷层实现，其中该一维光子晶体由两种不同的介质层A，B交替堆砌，中间加入缺陷层D，可以用深刻蚀法制作。

所述的多缺陷一维光子晶体结构为两个(AB)^SD(BA)^NB(AB)^ND(BA)^S型级联而成，其中S＝N＝2。

所述的介质层A，B为线性介质层。

所述的缺陷层D为非线性介质层。

所述A，B层的光学厚度为1/4波长，即a*n_a＝b*n_b＝λ₀/4，其中λ₀是中心波长，a，b分别是A，B层的几何厚度，n_a，n_b分别是A，B层介质的折射率。

所述缺陷层D光学厚度为半波长，即d*n_d0＝λ₀/2，其中d为D层介质的几伺厚度，n_d0是D层介质的线性折射率。

所述一维光子晶体中，n_a＝3.5，n_b＝1，n_d0＝2.5。

所述一维光子晶体中B层折射率为1，即空气层，可以用深刻蚀法制作。

所述光子晶体的非线性缺陷层，由于克尔效应，缺陷层折射率随泵浦光强变化，可以表示为n(z)＝n₀+q·I(z)＝n₀+q·G(z)·I_in，其中n_d0为缺陷层折射率的线性部分；q是与χ⁽³⁾有关的非线性折射率系数，χ⁽³⁾是D层非线性材料的三阶非线性极化率；I(z)是缺陷层中的光场强度，I_in为泵浦光的入射光强。

与传统方法相比本发明有如下优点：

利用非线性光子晶体设计全光开关存在着输出状态不能稳定控制的问题，这个问题的主要原因是光子晶体非线性层的光场分布和折射率会交互影响。本方案在此结构光子晶体的透射谱中实现了平坦的，近乎完全透射的宽带缺陷模，让光开关的泵浦光频率落入宽带缺陷模中，宽带缺陷模随入射泵浦光强的移动很小，泵浦光的透射率不会有明显变化，从而窄带缺陷模移动后位置固定，实现光开关状态的稳定控制。同时，由于在两个非线性缺陷层D中可以实现对称分布的、具有很高强度的光局域，D层非线性效应大大增强，这种全光开关对泵浦光强和介质的非线性系数要求很小。

本发明的原理如下：

它由两个(AB)^SD(BA)^NB(AB)^ND(BA)^S型结构光子晶体级联而成，其中A、B层由线性介质构成，D层由非线性介质构成。在光子晶体结构中引入缺陷可以导致禁带内出现很窄的透射峰，当引入多层缺陷时，光子晶体的禁带内也将出现多个透射峰。调整(AB)^SD(BA)^NB(AB)^ND(BA)^S结构光子晶体的周期数S、N，可以在此结构光子晶体中心频率附近实现平坦的，近乎完全透射的宽带缺陷模。然后将两个(AB)^SD(BA)^NB(AB)^ND(BA)^S型结构级联，就在宽带缺陷模两侧各会出现一个窄带透射峰。接着调整各层介质折射率，使所出现的宽带缺陷模和窄带缺陷模更利于应用。任选一个窄带峰作为信号光透射通道，宽带缺陷模作为泵浦光通道。

根据三阶非线性克尔效应，半导体非线性材料受到强泵浦光作用时，其折射率n将发生变化。非线性材料层折射率的变化将引起光子晶体两侧缺陷模的偏移，这种偏移将引起信号光透射率的改变，由原来的透射变为不能透射，从而实现对信号光的“开”和“关”的控制。让泵浦光落入宽带缺陷模中，这样就避免了光子带隙偏移后泵浦光频率对应透射率的变化会导致光场重新分布，而泵浦光强引起非线性介质折射率的改变量固定，窄带透射峰的偏移量就也是定值，从而实现了泵浦光强对开关输出状态的稳定控制。

在不考虑吸收损耗的情况下，当泵浦光强为0时，泵浦光频率处透射率为1，信号光频率处透射率也为1，即信号光完全透射，对应“开”状态；当泵浦光强变为I₀时，整个光子晶体的透射谱向长波方向移动，泵浦光频率处的透射率几乎没有变化，但是信号光则由完全透射变成了零透射，对应“关”状态，从而实现了透射比极大的光开光。

附图说明

以下各图所取的光子晶体的结构参数均与具体实施方式中相同。

图1是含多缺陷的一维光子晶体示意图，其结构为两个(AB)^SD(BA)^NB(AB)^ND(BA)^S级联而成，S＝N＝2。各层介质折射率分别为n_a＝3.5，n_b＝1，n_d＝2.5。

图2是只有信号光时，本方案结构的光子晶体的透射谱曲线。其中横轴表示入射信号的归一化频率，中心频率为1550nm波长对应的频率；纵轴表示光子晶体的透射率。

图3是本方案的光子晶体结构的场分布。其中横轴表示z方向的距离(取z₀＝0)，纵轴表示局域因子G(z)。

图4是光子晶体宽带缺陷模，其中，实线表示泵浦光强为0时宽带缺陷模的位置；虚线表示泵浦光强为I₀时宽带缺陷模的位置。

图5是图2中光子晶体右边窄带缺陷模，实线是泵浦光强为0时窄带缺陷模的位置；虚线表示泵浦光强为I₀时窄带缺陷模的位置。

图6是信号光的透射率随入射泵浦光强的变化曲线。

图7是宽带缺陷模处泵浦光的透射率随入射泵浦光强的变化曲线。

图8是本方案实现光开关的原理图。

具体实施方式

光开光由两个(AB)^SD(BA)^NB(AB)^ND(BA)^S周期型结构(如图1所示)光子晶体级联而成，其中A、B层由线性介质构成，D层由非线性介质构成。

首先调节参数S、N，在中心频率处找到一个宽带缺陷模；当S＝N＝2时，会形成一个宽带缺陷模。再调节A、B、D各层介质折射率，当n_b＝1时，会在左右两个缺陷层中实现场强的对称分布，使宽带缺陷模更平坦。再调整到合适的A、B层折射率，以在缺陷层中产生较强的场强分布和可以实际应用的宽带缺陷模与窄带缺陷模，如图3和图2所示。

B层折射率为1，为空气层，目前可以在基板上利用深刻蚀法制作。

(1)光开关效应的实现。

利用非线性材料的三阶非线性光学克尔效应来实现光开关。在强光的作用下非线性材料的折射率n随泵浦光强发生变化：

n(z)＝n₀+q·I(z)＝n₀+q·G(z)·I_in

其中，n₀是材料的线性折射率，为常数。q是与χ⁽³⁾有关的非线性折射率系数；χ⁽³⁾是D层非线性材料的三阶非线性极化率。I(z)是缺陷层中的光场强度，可以用泵浦光的入射光强I_in与G(z)的乘积来表示。缺陷层材料折射率的变化，将引起光子带隙中缺陷模的位置发生改变。

当材料的非线性折射率系数为正值时，依据非线性光学克尔效应，在泵浦光的作用下，材料的折射率将增加，从而使光子晶体缺陷模向长波方向移动。当材料的非线性折射率系数为负值时，在泵浦光的作用下，材料折射率将减小，从而使光子晶体缺陷模向短波方向移动。选择信号光的波长位于窄带缺陷模处，泵浦光波长位于宽带缺陷模内。随着泵浦光入射光强的增加，窄带缺陷模位置发生很大偏移，引起信号光从完全透射变为零透射，实现“开”和“关”的功能。而宽带缺陷模发生的偏移很小，当泵浦光入射光强大到足以实现光开关功能时，泵浦光的透射几乎没有改变。这样，在一定的泵浦光强下，窄带缺陷模偏移后的位置就会固定，可以通过改变泵浦光强来对信号光透射状态的稳定控制。

(2)泵浦光可以对光开关输出状态稳定控制的体现。

首先对入射泵浦光强分别是0和I₀时宽带缺陷模和窄带缺陷的位置用一维传输矩阵法进行数值仿真。由于泵浦光强远远大于信号光强，忽略信号光强。改变入射泵浦光的强度，使其从零逐步增加，分别对宽带缺陷模和窄带缺陷模中心频率处，泵浦光和信号光的透射率随泵浦光强的变化做数值仿真。上述曲线即可反映泵浦光强可以对信号光传输过程的开关控制作用和在足以实现光开关功能的光强下，由泵浦光引起的非线性介质折射率的改变量为定值，开关的输出状态也会稳定。

实施实例：在1550nm波长附近实现输出状态稳定可控的多缺陷一维光子晶体全光开关的实现方法。

选取具有较高三阶非线性极化率的TiO₂作为非线性缺陷层D层的材料，介质折射率的线性部分为n_d0＝2.5，非线性折射率系数为-6.32×10^-10cm²/kW。A层选用常用的半导体材料Si，折射率为n_a＝3.5；B层为空气。a、b、d分别是对应各层的厚度，满足a*n_a＝b*n_b＝λ₀/4，d＝λ₀/2/2.5；λ₀＝1550nm，ω₀＝2πc/λ₀。

泵浦光频率ω_p＝ω₀，光强I_P＝I₀＝10⁴kW/cm²；信号光频率ω_s＝1.029644ω₀，光强远小于泵浦光强。

当泵浦光强为0时，光子晶体的透射谱及场分布如图2、图3所示，可以看出泵浦光落入到宽带缺陷模中，而它右边的窄带透射峰是信号光的通道，其中，宽带缺陷模的频宽是窄带缺陷模的100多倍。图4、图5中的实线和虚线分别表示泵浦光为0和I₀时宽带缺陷模和窄带透射峰的位置。可以看出：当泵浦光强从0变为I₀时，信号光由完全透射变成了零透射，即实现了开关控制作用，而泵浦光频率ω_p处的透射率几乎没有变化。

参照图8，同时输入一路信号光脉冲和一路控制信号脉冲作为泵浦光，实现对信号光的开关功能。

如图6和图7所示，泵浦光强从零逐渐增加，当泵浦光强增加到50kW/cm²时，信号光的透射率由1降到几乎为零，从而实现非常高效的光开关。而泵浦光的透射率在光强为0～15MW/cm²的范围内都保持在1附近，即完全透射，这样由泵浦光强变化引起的非线性材料折射率改变量为定值。泵浦光强从零增加到一定量时，光开关对信号光的输出由“开”变为“关”，且状态稳定。