CN100447651C - 降低全光开关泵浦功率的方法、全光开关及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低全光开关泵浦功率的方法，属全光开关技术领域。该方法包括：有机共轭聚合物材料加入激光染料制得复合材料，利用该复合材料制备二维光子晶体；将探测激光耦合到上述二维光子晶体中，所述探测激光的波长位于上述二维光子晶体的光子带隙的边缘；用泵浦激光激发上述二维光子晶体实现全光开关，所述泵浦激光的波长位于上述二维光子晶体的光学染料的线性吸收带。本发明可以将泵浦功率降至几百KW/cm²到MW/cm²。本发明还提供一种全光开关及其制备方法，全光开关为一二维光子晶体，该二维光子晶体为一刻蚀有正方晶格周期性空气孔的有机物薄膜，所述有机物薄膜为有机共轭聚合物加入激光染料。

Description

降低全光开关泵浦功率的方法、全光开关及其制备方法

技术领域

本发明属于全光开关技术领域，尤其是提供一种低泵浦功率、超快速响应的二维有机光子晶体全光开关。

背景技术

光子晶体是由两种或者两种以上的具有不同介电函数的材料在空间周期性排列而形成的一种人工设计的新型光子学材料，具有独特的控制光子传输状态的特性，在光通讯、光计算和超快速信息处理等领域都具有非常重要的应用。

光子带隙来源于空间周期性介电函数对入射光波的调制作用，波长(或者频率)落入光子带隙内的光将被全部反射回去而不能透过光子晶体。在物理机理上，周期性介电结构强散射的光波之间的干涉效应产生了光子传输的禁带。因此，介电常数对比越大，入射光将被散射得越强烈，光子带隙效应越明显；空间结构周期性越好，干涉效应越强烈，光子带隙效应也越明显(文献1，J.D.Joannopoulos，R.D.Meade，and J.N.Winn，Photonic crystals：Molding the Flow of Light，Princeton University press，Princeton，1995)。

全光开关是以一束光来控制另一束光的传输状态，是一种非常重要的集成光子器件。快速的开关时间响应、高开关对比、低泵浦功率是光子晶体全光开关的重要指标。目前光子晶体全光开关的实验研究很多都是基于通常的半导体材料，通过fs激光泵浦光子晶体，激发半导体自由载流子改变材料的折射率，从而改变光子晶体有效折射率，光子带隙发生移动，实现飞秒亚皮秒超快响应光子晶体全光开关，但所需的泵浦光强度在GW/cm²的量级(文献2，M.Shimizu，T.Ishihara.Subpicosecond transmission change insemiconductor embedded photonic crystal slab：Toward ultrafastoptical switching.Appl.Phys.Lett.2002，80：2836-2838)；文献3和4以聚苯乙烯作为非线性光学材料来制备二维光子晶体，利用光子带隙迁移和缺陷态移动实现了全光开关效应，但是，所需的泵浦光强大于15GW/cm²(文献3，X.Y.Hu，Y.H.Liu，J.Tian，B.Y.Cheng，and D.Z.Zhang.Ultrafastall-optical switching in two-dimensional organic photonic crystal.Appl.Phys.Lett.，2005，86：121102；文献4，X.Y.Hu，Q.H.Gong，Y.H.Liu，B.Y.Cheng，and D.Z.Zhang.All-optical switching of defectmode in two-dimensional nonlinear organic photonic crystals.Appl.Phys.Lett.，2005，87：231111)。文献5和文献6在半导体光子晶体中引入缺陷，利用缺陷态的移动实现光子晶体全光开关，通过设计光子晶体及缺陷的结构提高缺陷模式的品质因数，从而大大降低了实现全光开关所需的泵浦光强，利用几十KW/cm²的低泵浦光强实现了皮秒快响应光子晶体全光开关，但其透过率很低，只有百分之几的透过率，而且制备过程较为复杂，难以实现人工调控(文献5，F.Raineri，C.Cojocaru，P.Monnier，A.Levenson，R.Raj，C.Seassal，X.Letartre，and P.Vikt orovitch，Ultrafastdynamics of the third-order nonlinear response in a two-dimensionalInP-based photonic crystal.Appl.Phys.Lett.，2004，85：1880-1882；文献6，T.Tanabe，Masaya Notomi，S.Mitsugi，A.Shinya，and E.Kuramochi，All-optical switches on asilicon chip realized using photonic crystalnanocavities.Appl.Phys.Lett.，2005，87：151112)。

专利1(申请号200610072799.0)以聚苯乙烯作为非线性光学材料来构造二维有机光子晶体，利用聚苯乙烯的三阶非线性光学Kerr效应，在泵浦光作用下光子带隙发生移动而实现全光开关；专利2(申请号03100044.4)以铁电材料作为非线性光学材料来构造二维铁电光子晶体，利用铁电材料的三阶非线性光学Kerr效应，在泵浦光作用下光子带隙发生迁移来实现全光开关；专利3(申请号02160207.7)以半导体材料作为非线性光学材料来构造具有缺陷态的二维光子晶体，利用半导体材料的三阶非线性光学Kerr效应，在泵浦光作用下缺陷态发生移动而实现全光开关。这些专利提供的实现光子晶体全光开关的方法，都是利用通常地非线性光学材料来实现的，由于这些材料的非线性系数较小，需要GW/cm²量级的很高的泵浦光强。

发明内容

本发明的目的提供一种低泵浦功率、超快速响应的二维有机光子晶体全光开关。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种降低全光开关泵浦功率的方法，其步骤包括：

(1)将有机共轭聚合物掺杂激光染料制备复合材料，用该复合材料制备二维光子晶体；

(2)将探测激光耦合到上述二维光子晶体中，所述探测激光的波长位于上述二维光子晶体的光子带隙的边缘；

(3)用泵浦激光激发上述二维光子晶体实现全光开关，所述泵浦激光的波长位于上述二维光子晶体的激光染料的线性吸收带。

一种全光开关，为一二维光子晶体，其特征在于：该二维光子晶体为一刻蚀有正方晶格周期性空气孔的有机物薄膜，所述有机物薄膜为有机共轭聚合物掺杂激光染料。

所述二维光子晶体的晶格常数范围为200nm-1000nm。

所述二维光子晶体的空气孔半径为50nm-500nm之间。

所述的激光染料为：菁类染料、香豆素类染料、噁嗪类染料或闪烁材料。

所述的有机共轭聚合物为：由含有不饱和共价π键的链状分子构成的有机共轭聚合物、由不饱和共价π键与饱和共价σ键交替键合成大共轭环状分子构成的有机共轭聚合物或由富勒烯分子构成的有机共轭聚合物。

所述有机物薄膜的厚度范围为250nm-500nm。

一种全光开关的制备方法，包括：

(1)在有机共轭聚合物中加入激光染料得到复合有机聚合物，用有机溶剂将该复合有机聚合物配制成溶液；

(2)将所述有机聚合物溶液制备有机物薄膜；

(3)在有机物薄膜上刻蚀有正方晶格周期性空气孔，形成二维光子晶体。

采用化学有机聚合方法，将一个激光染料分子通过化学键的键合连接到一个有机共轭聚合物分子上，实现在有机共轭聚合物中加入激光染料，得到复合有机聚合物，用有机溶剂将所述复合有机聚合物配制成溶液，复合有机聚合物的浓度范围为1％～30％。

采用物理有机聚合方法，利用有机溶剂将有机共轭聚合物和激光染料分别配成溶液，将有机共轭聚合物溶液和激光染料溶液进行混合，实现在有机共轭聚合物中加入激光染料。其中，用有机溶剂将有机共轭聚合物配制成溶液，有机共轭聚合物的浓度范围为1％～20％；用有机溶剂将激光染料配制成溶液，激光染料的浓度范围为10％～30％。

有机溶剂是非极性的有机溶剂，如甲苯、乙醇、苯、乙醚、四氢呋喃等。

本发明原理

1.三阶非线性光学Kerr效应

根据三阶非线性光学Kerr效应，非线性光学材料受到泵浦激光的激发作用，其折射率n将发生变化，

$n=n_0+\mathrm{\Δn}=n_0+\frac{{120\mathrm{\π}}^2}{{\mathrm{cn}}_0^2}{R}_e{\mathrm{\χ}}^{\left(3\right)}I---\left(1\right)$

其中，n₀为材料的线性折射率，c为真空中的光速，χ⁽³⁾为材料的三阶非线性极化率，R_eχ⁽³⁾代表取三阶非线性极化率χ⁽³⁾的实部的值，I为泵浦光强，π为常数3.14(文献7，钱士雄，王恭明编著，非线性光学——原理与进展，上海：复旦大学出版社，2001年版)。

2.光子带隙迁移机理

光子带隙迁移机理利用了材料的三阶非线性光学Kerr效应。选择探测光位于光子带隙的边缘，开始时探测光不能通过光子晶体。根据三阶非线性光学Kerr效应，材料的折射率与泵浦光强成正比关系。如果非线性材料具有正的三阶非线性极化率，在泵浦光的作用下，材料的折射率将增加，这使得光子晶体的有效折射率增大，光子带隙向长波方向移动。如果非线性材料具有负的三阶非线性极化率，在泵浦光的作用下，材料的折射率将减小，这使得光子晶体的有效折射率变小，光子带隙向短波方向移动。此时，探测光位于导带，能够通过光子晶体。这样，通过泵浦光的激发作用，使光子带隙发生迁移，从而实现对探测光的开、关控制作用(文献8，Scalora M，Dowling JP，Bowden C M and Bloemer M J.Optical limiting and switching ofultrashort pulses in nonlinear photonic band gap materials.Phys.Rev.Lett.，1994，73：1368-1371)。

3.消逝波耦合方法

利用消逝波耦合方法将入射光耦合到光子晶体中。这是在集成光学领域常用的一个入射光与薄膜波导的能量耦合方法，只要调节入射光在棱镜底部的入射角大于全反射角，就能把入射光耦合到光子晶体中。用夹具将棱镜压在有机聚合物波导上面，两者之间仅留一很窄的空气隙s，这就构成了一个消逝波耦合系统(文献9，佘守宪编著.导波光学物理基础.北方交通大学出版社.2002年版)。图中n_p、n₁、n₂和n₃分别表示棱镜、薄膜波导、衬底和空气隙的折射率，并且n_p＞n₁＞n₂＞n₃；h表示薄膜波导的厚度；s为空气隙厚度；θ_p为激光束在棱镜底部的入射角；θ₁为导模锯齿形光线在薄膜上、下界面的入射角；W是入射光束的宽度。当棱镜与波导相互靠近，使其间隙变得很小时，使得空气隙中棱镜模的消逝场的尾部和导波模的消逝场的尾部相互重叠，从而构成了一个折射率分布发生畸变的泄漏波导系统，导致棱镜模式与导波模式之间的耦合，将能量从入射激光束耦合到导波模式中，从而实现了从入射光束到波导的输入耦合。同样，棱镜模式与导波模式之间通过消逝波场的耦合作用，也可以把波导中导波模式的能量耦合出波导，从而实现输出耦合。

本发明的优点是：

1.复合材料的三阶非线性系数比不搀杂的有机共轭聚合物材料大1～2个数量级，能有效降低实现开关效应所需的泵浦激光的激发功率，可以实现低泵浦功率的光子晶体全光开关，泵浦功率可以降至几百KW/cm²到MW/cm²。

2.二维有机光子晶体全光开关的时间响应由复合材料的非线性时间响应特性决定，在皮秒～亚皮秒的量级。

3.二维有机光子晶体利用聚焦离子束刻蚀微加工技术制备，制备技术简单，且易集成。

附图说明

图1是本发明全光开关与波导连接示意图；

图2是本发明全光开关处于“开”状态的示意图；

图3是本发明全光开关处于“关”状态的示意图；

图4是本发明制备的二维光子晶体；

图5是本发明探测光子晶体光开关特性的装置的示意图；

图6是本发明制备的光子晶体光子带隙的长波带边；

图7是本发明制备的光子晶体光开关的时间相应曲线；

图8是本发明制备的光子晶体加入泵浦光后光子带隙的长波带边的移动，泵浦光能量(■)0.132nJ.(▲)0.197nJ.(●)0.395nJ.

0.527nJ.(★)0.592nJ.(◆)0.658nJ；

图9是本发明制备的光子晶体光子带隙的长波带边的迁移量随泵浦光能量的变化曲线。

具体实施方式

一、二维光子晶体的制备：

1、激光染料的选用：

本发明激光染料按照化学结构分为四类，(1)菁类染料，其激光范围为540-1200nm；(2)香豆素类染料，其激光范围为425-565nm；(3)噁嗪类染料，其激光范围为650-700nm；(4)闪烁材料，是含噁嗪、噁二唑、苯并噁唑环的芳香族化合物，是紫到紫外区域中的激光染料。

2、有机共轭聚合物的选用：

由含有不饱和共价π键的链状分子构成的有机共轭聚合物：如聚二乙炔(PDA)、聚乙炔(PA)、聚噻吩(PT)、聚苯乙烯(PS)等；

由不饱和共价π键与饱和共价σ键交替键合成大共轭环状分子构成的有机共轭聚合物：如酞箐、卜晽等；

由富勒烯分子构成的有机共轭聚合物，碳60、碳70等。

3、在有机共轭聚合物中加入激光染料：

(1)化学方法：

采用化学有机聚合方法，将一个激光染料分子通过化学键的键合连接到一个有机共轭聚合物分子上，实现在有机共轭聚合物中加入激光染料。这种合成形成一种新的复合有机化合物材料。化学有机聚合方法主要有：溶胶-凝胶法、单体原位聚合法等。

(2)物理方法：

利用化学溶剂将有机共轭聚合物和激光染料分别配成溶液，将有机共轭聚合物溶液和激光染料溶液进行混合，从而将激光染料分子分散到有机共轭聚合物分子中间，这两种分子之间没有化学键的强相互作用。最后获得的是含有激光染料分子和有机共轭聚合物分子的混合溶液。

4、配制有机聚合物溶液：

(1)采用化学方法在有机共轭聚合物中加入激光染料的，将获得的有机化合物配成溶液，其浓度为1％～30％。使用的有机溶剂是非极性的有机溶剂，如甲苯、乙醇、苯、乙醚、四氢呋喃等。

(2)采用物理方法在有机共轭聚合物中加入激光染料的，首先配制有机共轭聚合物溶液，其浓度为1％～20％；其次，配制激光染料溶液，其浓度为10％～30％，最后，将两种溶液混合配制成有机聚合物溶液。使用的有机溶剂是非极性的有机溶剂，如甲苯、乙醇、苯、乙醚、四氢呋喃等。

5、用所述有机聚合物溶液制备有机物薄膜：

采用旋涂法制备有机物薄膜。即通过控制转速可以制备出不同厚度的有机物薄膜。所用设备是甩胶机。

具体步骤为：

1.用乙醇清洗石英基片。石英基片的尺寸可为长2cm，宽2cm，厚度180μm；

2.将石英基片固定在转台上，在基片上滴加0.5ml配置好的溶液；

3.打开电源进行甩膜，参数设定：转速1000～3000转/秒；

制备出的有机聚合物薄膜厚度在300nm，尺寸为直径1cm的圆形区域。制备出有机聚合物薄膜。

6、在有机物薄膜上刻蚀有正方晶格周期性空气孔，形成二维光子晶体：

采用聚焦离子束刻蚀技术(FIB)刻蚀有机聚合物薄膜形成二维正方晶格光子晶体。

二、二维有机光子晶体全光开关的实现：

光子晶体全光开关与波导连接如图1所示：

光子晶体光开关连接在波导1和波导2的中间，入射光束从波导1进入光子晶体光开关。

如果不加控制光(即泵浦光)，则光子晶体全光开关处于“开”的状态，如图2所示。此时波导1和波导2是导通的，入射光束可以通过光子晶体继续在波导2中传播。

如果加上控制光(即泵浦光)，则光子晶体全光开关处于“关”的状态，如图3所示。入射光束将被光子晶体全部反射回来而不能通过光子晶体，此时波导1和波导2是完全断开的，没有光在波导2中传播。

下面具体给出一低泵浦功率、超快速响应的二维有机光子晶体全光开关的实现和测试结果。

1、二维光子晶体制备：

有机聚合物选择由Fluka Chemie公司提供的分子量为8,000,000的高聚合度聚苯乙烯；要对波长800nm左右的光进行开关控制，泵浦激光的波长位于激光染料的线性吸收带，激光染料选择3，3’-二乙基-5，5’-二氯-11-二苯氨基-10，12-亚乙唾三碳苦高氯酸盐(IR140)，该I R140激光染料的吸收峰为810nm，采用甲苯溶剂，首先确定聚苯乙烯溶液的浓度：

聚苯乙烯与甲苯的质量比为1∶14，激光染料与甲苯的重量比为1∶1500。

利用旋涂法制备300nm厚的复合材料薄膜，制备薄膜所用的衬底材料是长和宽都2cm、厚180μm的洁净石英片。薄膜制成后采用聚焦离子束刻蚀技术(FIB)来制备二维正方晶格光子晶体，要对800nm探测光进行控制，晶格常数为284nm，空气孔半径为110nm。整个光子晶体的面积为3um*100um。因为聚苯乙烯是绝缘材料，不能直接用聚焦离子束刻蚀，因此在刻蚀前要在聚苯乙烯薄膜上蒸镀一层厚度为10nm的金膜，在刻蚀完毕后，用水除去光子晶体上的金膜。制备完成的光子晶体如图4所示。

2、测量装置：

如图5所示，激光器为一套由半导体激光器泵浦的掺钛蓝宝石激光系统，脉冲宽度为120飞秒，重复频率76MHz，波长在790-860nm范围内可调谐。由1∶1分束镜2将激光束分为两束，一束作为泵浦光，另一束作为探测光。

泵浦光路包括延迟线3、45°全反镜4、衰减片5、聚焦透镜6；其中分束镜2处于激光器1和延迟线3之间，与泵浦光路成45°角，延迟3对泵浦激光为180°非共线全反射，45°全反镜4处于延迟线3的反射光路上，调节泵浦激光强度的衰减片5放置在半透半反镜4和聚焦透镜6之间；

探测光路包45°全反镜7、小孔光阑对8、消逝波耦合系统9、聚焦透镜11；其中分束镜2处于激光器1和全反镜7之间，小孔光阑对8直径为1mm，位于全反镜7和消逝波耦合系统9的输入耦合棱镜之间对探测光束进行准直和衰减，探测光射入消逝波耦合系统9的输入耦合棱镜，通过光子晶体10后通过另外一个棱镜耦合输出；

信号处理系统包括同步探测光纤光谱仪11和计算机12；光纤光谱11采集探测激光信号输入计算机12进行数据的采集和处理；

3、确定光子晶体光子带隙的长波带边的位置：

挡住泵浦光，调节探测光在棱镜底部的入射角大于全反射角，将探测光耦合到光子晶体中，测量探测光透过率随波长的变化关系。进行数据处理确定光子带隙长波带边位置，如图6所示，整个带边很陡，分布在1.5nm范围内，确定全光开关效应的探测光的波长为801.8nm。

4、全光开关的时间响应特性：

调节带通衰减片将通过光子晶体的泵浦激光能量设定为0.35nJ；调节延迟线3，测量探测激光的透过率随时间延迟的变化曲线，并进行拟合，如图7所示：探测激光透过率随着泵浦脉冲与探测脉冲的交叠而减小，其透过率在零时间延迟的位置达到最小值，表明光子带隙向长波方向移动。信号曲线的下降沿为200fs左右，与泵浦光的脉宽相当，上升沿有1ps的驰豫时间，响应信号半高宽约为1.0ps，可知光子晶体全光开关的响应时间达到了ps量级。ps量级的驰豫时间决定于激光染料IR140的激发态势能面上的振动弛豫以及从顺式到反式的光转换过程。

5、光开关对比：

无泵浦光时探测光的透过率为最大值89％。当泵浦光能量约是0.5nJ时探测光的透过率达到最小值30％，可实现开关过程，开关对比度为59％。

6、泵浦光强：

本实验系统中泵浦光脉冲宽度为120飞秒，聚焦到光子晶体的光斑面积约为0.01cm²，因此确定实现光开关的泵浦功率为几百KW/cm²到MW/cm²。从实验结果可知复合材料的三阶非线性系数比不搀杂的有机共轭聚合物材料大1～2个数量级，可以实现低泵浦功率的光子晶体全光开关。

7、本方法还可以确定光子带隙的迁移情况：

调节带通衰减片使得泵浦激光的能量从0连续增加到1nJ，测量二维有机光子晶体光子带隙的长波带边的位置随泵浦激光能量的变化曲线。如图8所示，随泵浦光能量的增大，材料的折射率增大，带边向长波方向移动，泵浦光能量为0.658nJ时带边移动2.2nm。计算光子带隙的迁移量，做出光子带隙的迁移量随泵浦光强度的变化曲线，如图9所示，随着泵浦激光能量的增加，光子带隙是连续可调的。

上述是对于本发明最佳实施例工艺步骤的详细描述，但是很显然，本发明技术领域的研究人员可以根据上述的步骤作出形式和内容方面非实质性的改变而不偏离本发明所实质保护的范围，因此，本发明不局限于上述具体的形式和细节。

Claims (11)

1、一种降低全光开关泵浦功率的方法，其步骤包括：

(1)将有机共轭聚合物掺杂激光染料制备复合材料，用该复合材料制备二维光子晶体；

(2)将探测激光耦合到上述二维光子晶体中，所述探测激光的波长位于上述二维光子晶体的光子带隙的边缘；

(3)用泵浦激光激发上述二维光子晶体实现全光开关，所述泵浦激光的波长位于上述二维光子晶体的激光染料的线性吸收带。

2、一种全光开关，为一二维光子晶体，其特征在于：该二维光子晶体为一刻蚀有正方晶格周期性空气孔的有机物薄膜，所述有机物薄膜为有机共轭聚合物掺杂激光染料。

3、如权利要求2所述的全光开关，其特征在于：所述二维光子晶体的晶格常数的范围为200nm-1000nm。

4、如权利要求2或3所述的全光开关，其特征在于：所述二维光子晶体的空气孔半径为50nm-500nm之间。

5、如权利要求2所述的全光开关，其特征在于：所述的激光染料为菁类染料、香豆素类染料、噁嗪类染料或闪烁材料。

6、如权利要求2或5所述的全光开关，其特征在于：所述的有机共轭聚合物为，由含有不饱和共价π键的链状分子构成的有机共轭聚合物、由不饱和共价π键与饱和共价σ键交替键合成大共轭环状分子构成的有机共轭聚合物或由富勒烯分子构成的有机共轭聚合物。

7、如权利要求2所述的全光开关，其特征在于：所述有机物薄膜的厚度范围为250nm-500nm。

8、一种全光开关的制备方法，包括：

(1)在有机共轭聚合物中加入激光染料得到复合有机聚合物，用有机溶剂将该复合有机聚合物配制成溶液；

(2)将所述有机聚合物溶液制备有机物薄膜；

(3)在有机物薄膜上刻蚀有正方晶格周期性空气孔，形成二维光子晶体。

9、如权利要求8所述的全光开关的制备方法，其特征在于：步骤(1)中采用化学有机聚合方法，将一个激光染料分子通过化学键的键合连接到一个有机共轭聚合物分子上，实现在有机共轭聚合物中加入激光染料。

10、如权利要求8所述的全光开关的制备方法，其特征在于：步骤(1)中采用物理有机聚合方法，利用有机溶剂将有机共轭聚合物和激光染料分别配成溶液，将有机共轭聚合物溶液和激光染料溶液进行混合，实现在有机共轭聚合物中加入激光染料。

11、如权利要求8、9或10所述的全光开关的制备方法，其特征在于：有机溶剂是非极性的有机溶剂。

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