基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关

摘要

本发明公开了一种基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关。它包括上下两层平板光子晶体相连的一个整体；上平板光子晶体为一个第一平板正方晶格光子晶体，第一平板正方晶格光子晶体的元胞由高折射率旋转正方形杆、单个第一平板介质杆和背景介质组成，第一平板介质杆由高折射率介质套管和套管内的低折射率介质组成，或者由一块高折射率平板薄膜组成，或者由一块低折射率介质组成；下平板光子晶体为一个完全禁带的第二正方晶格光子晶体，第二正方晶格光子晶体的元胞由高折射率旋转正方形杆、单个第二平板介质杆为高折射率介质杆和背景介质为低折射率介质组成，光开关的频率为0.41～0.4167。本发明结构实现了高消光比偏振无关光开关。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高消光比偏振无关光开关，特别涉及一种基于平 板光子晶体绝对禁带的宽带的高消光比偏振无关光开关。

背景技术

近年来，随着信息时代的到来，通信技术的速度和信息量急剧增 大。光通信技术给信息化时代插上了翅膀，但目前在节点和路由的信 息处理依旧需要电路实现，这在速度、容量和功率消耗方面制约了通 讯技术的发展。采用光子集成光路代替或部分代替集成电路实现通信 路由势必成为未来的发展方向。

光子晶体是一种介电材料在空间中呈周期性排列的物质结构，通 常由两种或两种以上具有不同介电常数材料构成的人工晶体。

因为绝对禁带中的电磁场模式是完全不能存在的，所以当电子能 带与光子晶体绝对禁带重叠时，自发辐射被抑制。拥有绝对禁带的光 子晶体可以通过控制自发辐射，从而改变场与物质的相互作用以及提 高光学器件的性能。

可调光子晶体带隙可以应用于信息通讯，显示和储存。可以利用 外部驱动源进行高速调制带隙变化，这方面已经有很多方案提出，诸 如：利用铁磁性材料可以控制磁导率、利用铁电性材料可以控制介电 常数等。

目前的光开关多数利用非线性效应来实现，而非线性效应需要使 用高功率的控制光，这势必消耗大量的能量，在系统的集成度高，通 信用户数量庞大时，该能量消耗将变得非常巨大。同时，偏振度的高 低将影响信噪比和传输速率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种便于集成的平 板光子晶体的高消光比偏振无关光开关。

本发明的目的是通过下列技术方案予以实现。

本发明的平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关包括上下两 层平板光子晶体相连而成的一个整体；所述上平板光子晶体为具有一 个第一平板正方晶格光子晶体，所述第一平板正方晶格光子晶体的元 胞由高折射率旋转正方形杆、单个第一平板介质杆和背景介质组成， 所述第一平板介质杆沿水平方向布置，所述第一平板介质杆使整个上 平板光子晶体成为一个整体，所述第一平板介质杆由高折射率介质套 管和套管内的低折射率介质组成，或者由一块高折射率平板薄膜组 成，或者由一块低折射率介质组成；所述下平板光子晶体为一个具有 完全禁带的第二正方晶格光子晶体，所述第二正方晶格光子晶体的元 胞由高折射率旋转正方形杆、单个第二平板介质杆和背景介质组成， 所述第二平板介质杆沿水平方向布置，所述第二平板介质杆使整个下 平板光子晶体形成一个整体，所述第二平板介质杆为高折射率介质 杆；所述背景介质为低折射率介质；所述高消光比偏振无关光开关的 归一化频率(a/λ)为0.41～0.4167。

所述第一和第二平板光子晶体中的高折射率旋转正方形杆的边 长分别为0.5455～0.554a，其旋转角度为22.3°～23°和67°～67.6°，所 述第一和第二平板光子晶体的第一、第二平板介质杆的宽度分别为 0.076～0.079a。

所述第一和第二平板光子晶体中的第一和二平板介质杆分别距 离旋转正方形杆中心0.2a。

所述第一平板光子晶体元胞内的第一介质杆中的套管厚度为0～ -0.004a；所述套管内的低折射率介质的宽度为所述第一平板介质杆 的宽度与所述套管的厚度相减。

所述高折射率介质为硅、砷化镓、二氧化钛或者折射率大于2的 介质；所述低折射率介质为真空、空气、冰晶石、二氧化硅、有机泡 沫、橄榄油或者折射率小于1.5的介质。

所述偏振无关光开关，第一平板光子晶体位于光路中，第二平板 光子晶体位于光路外为一种开关状态，第二平板光子晶体位于光路 中，第一平板光子晶体位于光路外为另一种开关状态。所述第一平板 光子晶体位于光路中,第二平板光子晶体位于光路外为光路连通状 态，第二平板光子晶体位于光路中，第一平板光子晶体位于光路外为 光路断开状态。

所述偏振无关开关的归一化工作频率(a/λ)范围为0.41～ 0.4167，TE偏振的消光比为-21dB至-31dB，TM偏振的消光比为-41dB 至-50dB。

所述第一平板光子晶体和第二平板光子晶体在光路中的位置通 过外力调节，所述外力包括机械力、电力和磁力。

本发明与现有技术相比,具有如下积极效果。

1.光开关是集成光路中必不可缺少的元器件，对于网络的高速 运行是非常重要的，大带宽，低能量损耗，高偏振度、高消光比是衡 量开关的重要参数。

2.通过调节第一平板(上平板)和第二平板(下平板)光子晶体 在光路中的位置的变化来实现光开关功能。

3.本发明结构实现了高消光比偏振无关光开关，从而实现了高消 光比的光开关功能。

4.便于集成的平板光子晶体具有高消光比偏振无关光开关。

附图说明

图1(a)是本发明基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关 上平板正方晶格光子晶体的元胞结构示意图。

图1(b)是本发明基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关 下平板正方晶格光子晶体的元胞结构示意图。

图2(a)是本发明基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开 关的第一种实施方式的结构示意图。

图2(b)是本发明基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开 关的第二种实施方式的结构示意图。

图2(c)是本发明基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开 关的第三种实施方式的结构示意图。

图3是实施例1中第二平板光子晶体的光子带结构图。

图4是实施例1中第一平板光子晶体的光子带结构图。

图5(a)是实施例2所示归一化频率(a/λ)为0.41的TE开关 光场分布图。

图5(b)是实施例2所示归一化频率(a/λ)为0.41的TM开关 光场分布图。

图6(a)是实施例3所示归一化频率(a/λ)为0.4117的TE开 关光场分布图。

图6(b)是实施例3所示归一化频率(a/λ)为0.4117的TM开 关光场分布图。

图7(a)是实施例4所示归一化频率(a/λ)为0.4121的TE开 关光场分布图。

图7(b)是实施例4所示归一化频率(a/λ)为0.4121的TM开 关光场分布图。

图8(a)是实施例5所示归一化频率(a/λ)为0.4127的TE开 关光场分布图。

图8(b)是实施例5所示归一化频率(a/λ)为0.4127的TM开 关光场分布图。

图9(a)是实施例6所示归一化频率(a/λ)为0.413的TE开关 光场分布图。

图9(b)是实施例6所示归一化频率(a/λ)为0.413的TM开 关光场分布图。

图10(a)是实施例7所示归一化频率(a/λ)为0.4142的TE开 关光场分布图。

图10(b)是实施例7所示归一化频率(a/λ)为0.4142的TM开 关光场分布图。

图11(a)是实施例8所示归一化频率(a/λ)为0.4167的TE开 关光场分布图。

图11(b)是实施例8所示归一化频率(a/λ)为0.4167的TM开 关光场分布图。

具体实施方式

本发明基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关，如图1(a) 所示，平板光子晶体高消光比偏振无关光开关包括连成一个整体的上 下两层平板光子晶体；上平板光子晶体为具有一个第一平板正方晶格 光子晶体，第一平板正方晶格光子晶体的元胞由高折射率旋转正方形 杆、单个第一平板介质杆和背景介质组成，第一平板介质杆沿水平方 向布置，第一平板介质杆使整个上平板光子晶体成为一个整体，第一 平板介质杆由高折射率介质套管和套管内的低折射率介质组成，或者 由一块高折射率平板薄膜组成，或者由一块低折射率介质组成，低折 射率介质为真空、空气、冰晶石、二氧化硅、有机泡沫、橄榄油或者 折射率小于1.5的介质。如图1(b)所示，下平板光子晶体为一个具 有完全禁带的第二正方晶格光子晶体，第二正方晶格光子晶体的元胞 由高折射率旋转正方形杆、单个第二平板介质杆和背景介质组成，第 二平板介质杆沿水平方向布置，第二平板介质杆使整个下平板光子晶 体成为一个整体，第二平板介质杆为高折射率介质杆，高折射率介质 为硅、砷化镓、二氧化钛或者折射率大于2的介质；背景介质为低折 射率介质；高消光比偏振无关光开关的归一化频率(a/λ)为0.41～ 0.4167，此频率范围为第一平板光子晶体的TE和TM传输带且为第二 平板光子晶体的完全禁带，或者为第二平板光子晶体的TE和TM传输 带且为第一平板光子晶体的完全禁带，其中a为第一和第二平板光子 晶体的晶格常数，λ为入射波波长。

通过调节上下平板光子晶体在光路中的位置实现高消光比的偏 振无关光开关。

偏振无关光开关的归一化工作频率(a/λ)范围为0.41～0.4167， TE偏振的消光比达到-21dB至-31dB，TM偏振的消光比达到-41dB 至-50dB，第一平板光子晶体位于光路中，第二平板光子晶体在光路 外部为偏振无关光开关的第一开关状态，即光路连通状态，第二平板 光子晶体位于光路中，第一平板光子晶体在光路外部为偏振无关光开 关的第二开关状态，即光路断开状态。光开关的消光比是指开关两种 状态下的输出光功率的比值。

本发明可按另一种实施方式的结构示意图设计出另一种具体结 构的平板光子晶体偏振无关光开关，它包括连成一个整体的上下两层 平板光子晶体，如图2(a)所示，上平板光子晶体为一个具有第一平 板正方晶格光子晶体，所述第一平板正方晶格光子晶体的元胞由高折 射率旋转正方形杆、单个第一平板介质杆和背景介质组成，第一平板 介质杆沿水平方向布置，第一平板介质杆使整个上平板光子晶体成为 一个整体，第一平板介质杆由高折射率套管和套管内的低折射率介质 组成，第一平板光子晶体元胞内的第一平板介质杆中的套管厚度为 0～-0.004a，套管内的低折射率介质的宽度为第一平板介质杆的宽度 与套管的厚度相减。下平板光子晶体为一个具有完全禁带的第二正方 晶格光子晶体，第二正方晶格光子晶体的元胞由高折射率旋转正方形 杆、单个第二平板介质杆和背景介质组成，第二平板介质杆沿水平方 向布置，第二平板介质杆使整个下平板光子晶体成为一个整体，第一 和第二平板光子晶体中的第一和二平板介质杆分别距离旋转正方形 杆中心0.2a，第一和第二平板光子晶体中的高折射率旋转正方形杆 的边长分别为0.5455～0.554a，其旋转角度为22.3°～23°和67°～ 67.6°，平板光子晶体的第一和第二平板介质杆的宽度分别为0.076～ 0.079a；第二平板介质杆为高折射率介质杆，高折射率介质为硅、砷 化镓、二氧化钛或者折射率大于2的介质，高折射率介质采用硅材料， 背景介质为低折射率介质，低折射率介质为真空、空气、冰晶石、二 氧化硅、有机泡沫、橄榄油或者折射率小于1.5的介质。高消光比偏 振无关光开关的归一化频率(a/λ)为0.41～0.4167，此时归一化频 率为第一平板光子晶体的TE和，TM传输带且为第二平板光子晶体的 完全禁带，或者为第二平板光子晶体的TE和TM传输带且为第一平板 光子晶体的完全禁带，TE偏振的消光比达到-21dB至-31dB，TM偏 振的消光比达到-41dB至-50dB，其中a为第一和第二平板光子晶体 的晶格常数，λ为入射波波长。

本发明也可以按另一种实施方式的结构示意图设计出另一种具 体结构的平板光子晶体偏振无关光开关，它包括连成一个整体的上下 两层平板光子晶体，如图2(b)所示，上平板光子晶体为一个具有 第一平板正方晶格光子晶体，第一平板正方晶格光子晶体的元胞由高 折射率旋转正方形杆、单个第一平板介质杆和背景介质组成，第一平 板介质杆沿水平方向布置，第一平板介质杆使整个上平板光子晶体成 为一个整体，第一平板介质杆由一块高折射率平板薄膜组成。下平板 光子晶体为一个具有完全禁带的第二正方晶格光子晶体，第二正方晶 格光子晶体的元胞由高折射率旋转正方形杆、单个第二平板介质杆和 背景介质组成，第二平板介质杆沿水平方向布置，第二平板介质杆使 整个下平板光子晶体成为一个整体，第一和第二平板光子晶体中的第 一和二平板介质杆分别距离旋转正方形杆中心0.2a，第一和第二平 板光子晶体中的高折射率旋转正方形杆的边长分别为0.5455～ 0.554a，其旋转角度为22.3°～23°和67°～67.6°，平板光子晶体的第 一和第二平板介质杆的宽度分别为0.076～0.079a，第二平板介质杆 为高折射率介质杆，高折射率介质为硅、砷化镓、二氧化钛或者折射 率大于2的介质，高折射率介质采用硅材料；背景介质为低折射率介 质，低折射率介质为真空、空气、冰晶石、二氧化硅、有机泡沫、橄 榄油或者折射率小于1.5的介质；高消光比偏振无关光开关的归一化 频率(a/λ)为0.41～0.4167，此时归一化频率为第一平板光子晶体 的TE和TM传输带且为第二平板光子晶体的完全禁带，或者为第二平 板光子晶体的TE和TM传输带且为第一平板光子晶体的完全禁带，TE 偏振的消光比达到-21dB至-31dB，TM偏振的消光比达到-41dB至 -50dB，其中a为第一和第二平板光子晶体的晶格常数，λ为入射波 波长。

还可以根据图2(c)所示结构示意图设计出另一种具体结构的 平板光子晶体偏振无关光开关，它包括连成一个整体的上下两层平板 光子晶体，如图2(c)所示，上平板光子晶体为一个具有第一平板 正方晶格光子晶体，第一平板正方晶格光子晶体的元胞由高折射率旋 转正方形杆、单个第一平板介质杆和背景介质组成，第一平板介质杆 由一块低折射率介质组成，背景介质为低折射率介质，高折射率旋转 正方形杆内设置有一条槽，槽中填充低折射率介质，低折射率介质为 真空、空气、冰晶石、二氧化硅、有机泡沫、橄榄油或者折射率小于 1.5的介质，例如填充空气；下平板光子晶体为一个具有完全禁带的 第二正方晶格光子晶体，第二正方晶格光子晶体的元胞由高折射率旋 转正方形杆、单个第二平板介质杆和背景介质组成，第二平板介质杆 沿水平方向布置，第二平板介质杆使整个下平板光子晶体成为一个整 体，第一和第二平板光子晶体中的第一和第二平板介质杆分别距离旋 转正方形杆中心0.2a，第一和第二平板光子晶体中的高折射率旋转 正方形杆的边长分别为0.5455～0.554a，其旋转角度为22.3°～23° 和67°～67.6°，所述的第一和第二平板介质杆的宽度分别为0.076～ 0.079a，第二平板介质杆为高折射率介质杆，高折射率介质为硅、砷 化镓、二氧化钛或者折射率大于2的介质，高折射率介质采用硅材料； 背景介质为低折射率介质；高消光比偏振无关光开关的归一化频率 (a/λ)为0.41～0.4167，此时归一化频率为第一平板光子晶体的TE 和TM传输带且为第二平板光子晶体的完全禁带，或者为第二平板光 子晶体的TE和TM传输带且为第一平板光子晶体的完全禁带，TE偏 振的消光比达到-21dB至-31dB，TM偏振的消光比达到-41dB至 -50dB，其中a为第一和第二平板光子晶体的晶格常数，λ为入射波 波长。

以上三种实施方式，均以纸面为参考面，上下平板光子晶体通过 框架连接成为一个整体，受外力而做垂直于运动，实现光开关功能， 如图2所示，图中省略了光子晶体中的旋转正方形杆，虚线框为旋转 正方形杆阵列所在的位置。由于框架本身不在光输入和输出面，即光 的输入和输出面平行于参考面，因而不影响光的传播。作为整体的上 下平板光子晶体的上下移动可以通过微机械、电力或磁力等外力作用 而实现。例如，可在框架内埋入磁铁，采用一个压力联动装置与框架 连接，则压力可以驱动黑色框上下移动，框架的左右两边位于凹槽导 轨中，以保证黑框做上下直线往复运动。

实施例1

通过第一和第二两个平板光子晶体得到垂直方向上的不同的光 子带结构图，图3为第二平板光子晶体的光子带结构图，图4为第一 平板光子晶体的光子带结构图，对比可知，在归一化频率(a/λ)范 围0.4063～0.4366，该结构实现了高消光比偏振无关光开关，从而实 现了高消光比的光开关功能。

实施例2

本实施例中，归一化光子频率(a/λ)为0.41，采用第一种实施 方式，利用三维结构数值验证，其中包括5层高折射率旋转介质杆和 5层高折射率介质脉络，高折射率介质脉络由旋转杆和平板连杆构成， 由如图5(a)、(b)数值模拟结果可知：开关效果消光很好。

实施例3

本实施例中，归一化光子频率(a/λ)为0.4117，采用第一种实 施方式，利用三维结构数值验证，其中包括5层高折射率旋转介质杆 和5层高折射率介质脉络，高折射率介质脉络由旋转杆和平板连杆构 成，由如图6(a)、(b)数值模拟结果可知：开关效果消光很好。

实施例4

本实施例中，归一化光子频率(a/λ)为0.4121，采用第一种实 施方式，利用三维结构数值验证，其中包括5层高折射率旋转介质杆 和5层高折射率介质脉络，高折射率介质脉络由旋转杆和平板连杆构 成，由如图7(a)、(b)数值模拟结果可知：开关效果消光很好。

实施例5

本实施例中，归一化光子频率(a/λ)为0.4127，采用第二种实 施方式，利用三维结构数值验证，其中包括5层高折射率旋转介质杆 和5层高折射率介质脉络，高折射率介质脉络由旋转杆和平板连杆构 成，由如图8(a)、(b)数值模拟结果可知：开关效果消光很好。

实施例6

本实施例中，归一化光子频率(a/λ)为0.413，采用第二种实 施方式，利用三维结构数值验证，其中包括5层高折射率旋转介质杆 和5层高折射率介质脉络，高折射率介质脉络由旋转杆和平板连杆构 成，由如图9(a)、(b)数值模拟结果可知：开关效果消光很好。

实施例7

本实施例中，归一化光子频率(a/λ)为0.4142，采用第三种实 施方式，利用三维结构数值验证，其中包括5层高折射率旋转介质杆 和5层高折射率介质脉络，高折射率介质脉络由旋转杆和平板连杆构 成，由数值模拟结果如图10(a)、(b)数值模拟结果可知：开关效果 消光很好。

实施例8

本实施例中，归一化光子频率(a/λ)为0.4167，采用第三种实 施方式，利用三维结构数值验证，其中包括5层高折射率旋转介质杆 和5层高折射率介质脉络，高折射率介质脉络由旋转杆和平板连杆构 成，由如图11(a)、(b)数值模拟结果可知：开关效果消光很好。

以上之详细描述仅为清楚理解本发明，而不应将其看做是对本发 明不必要的限制，因此对本发明的任何改动对本领域中的技术熟练的 人是显而易见的。