CN101571657B - 一种光子晶体全光开关 - Google Patents
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Abstract
一种光子晶体全光开关是一种全光学开关(光子晶体结构)，尤其是一种缺陷模式迁移型非线性光子晶体全光开关。该光子晶体光开关包括三角晶格光子晶体(1)、波导区(2)、牵引区(3)、非线性共振腔(4)；其中，三角晶格光子晶体(1)是沿XZ轴呈三角形周期性分布的大空气孔型光子晶体，在其两端引入对称的线缺陷构成波导区(2)，在三角晶格光子晶体(1)的中心空气孔上设有非线性共振腔(4)，在波导区(2)和非线性共振腔(4)之间设有牵引区(3)，信号光从波导区(2)的左端输入，波导区(2)的右端输出；控制光垂直XZ轴沿着介质柱入射在中央非线性共振腔(4)处。
Description
技术领域
本发明是一种全光学开关(光子晶体结构)，尤其是一种缺陷模式迁移型非线性光子晶体全光开关，涉及光通信与光信息处理的技术领域。
背景技术
随着人们对信息量需求的急剧增加，通信网络和信息计算面临新的挑战，从某种程度上，推动了光波技术的发展。以光信号为计算对象的光信息处理技术，研究在不断深化，其中光开关可以作为光通信交换网络和数字光计算的关键器件。目前一种光子晶体光开关，因为其独特的断通性能成为研究的特点。
根据透光机制的不同，光子晶体光开关主要分为以下两类：光子带隙迁移型光开关和缺陷模式迁移型光开关。其中光子带隙迁移型光开关是利用光子带隙的迁移实现光的断通状态的；而缺陷模式迁移型光开关是利用光子晶体的缺陷模的移动实现光的断通状态。并且缺陷模式迁移型光开关比光子带隙迁移型光开关的开关性能要好。
非线性光子晶体光开关具有以下优势：可以实现全光学开关，无需光-电-光转换；光开关的开关速度可以提高到飞秒量级；光开关的插入损耗理论上可以降低到零；消光比可以达到很大；开关阈值可以大大降低；光开关的稳定性和可靠性可以很大程度上得到保证；体积非常小，易于集成大规模光路。
但是传统的非线性光子晶体光开关一般只给出了在理论推导下的概念性模型，对于缺陷模式迁移型非线性光子晶体光开关，通常是在含有点缺陷的光子晶体中，信号光沿着XZ横截面入射，控制光垂直入射在点缺陷处，如果点缺陷处为非线性光学介质，随着控制光强的增大，介质的折射率将发生变化，光子晶体的光子带隙中的缺陷模将发生迁移，原本不能通过的光频信号现在就可能通过。但这没有从系统的角度设计光子晶体全光开关并考虑光信号在其中的传输特性，由于控制光需要很大的光强，辐射出去的强光所带来的影响也没有得以控制，对后续的集成工作会造成直接的干扰，因此不能实现光子晶体全光开关的明显优势，没有实际的应用价值。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种光子晶体全光开关，尤其是一种缺陷模式迁移型非线性光子晶体全光开关。大大减小了开关的插入损耗，开关的消光比也得到了很大的改善。
技术方案：为了适应光通信交换网络和数字光计算的发展，使光子晶体全光开关具有效率高、低阈值和响应时间快的性能，我们提出了一种新型的光子晶体全光开关结构，并且可以使其工作在现阶段通用的光波段1550nm处，具有实际的应用价值；目前光子晶体全光开关只给出了在理论推导下的概念性模型，没有从系统的角度分析实际问题，并且开关功能也不太理想；我们通过引入横截面呈三角形周期性分布的大空气孔、波导区、牵引区和有机聚合物非线性光学材料填充的非线性共振腔几者结合的基础上，得以实现具有效率高、低阈值和响应时间快的光子晶体全光开关。
该光子晶体光开关包括三角晶格光子晶体、波导区、牵引区、非线性共振腔；其中，三角晶格光子晶体是沿XZ轴呈三角形周期性分布的大空气孔型光子晶体，在其两端引入对称的线缺陷构成波导区，在三角晶格光子晶体的中心空气孔上设有非线性共振腔，在波导区和非线性共振腔之间设有牵引区，信号光从波导区的左端输入，波导区的右端输出；控制光垂直XZ轴沿着介质柱入射在中央非线性共振腔处。
非线性共振腔是由非线性光学材料聚二乙炔(PDA-PTS)填充空气孔而成。
牵引区是包含了非线性共振腔周围的4个空气孔，但此4个空气孔的半径比三角晶格光子晶体中的其他空气孔半径要小，形成点缺陷，构成了两对成对称分布的第一小孔和第二小孔。
波导区是由填充了三角晶格光子晶体中的两排对称的空气孔后形成的线缺陷构成，两线缺陷不相通，填充的材料与衬底材料相同，同时波导的术端与牵引区的第二小孔相连。
三角晶格光子晶体的大空气孔的横截面为圆形，平板厚度为微米数量级，衬底可以为硅材料。
信号光是目前通用光波段，控制光由常用激光器提供或者由其倍频光提供。
有益效果：本发明提出的一种新型的光子晶体全光开关，尤其是一种非线性缺陷模式迁移型光子晶体全光开关。沿XZ轴呈三角形周期性分布的大空气孔型光子晶体、波导区、牵引区和有机聚合物非线性光学材料填充的非线性共振腔相结合，采用这种结构的光子晶体全光开关，三角形周期性分布的大空气孔可以产生很宽的二维光子带隙，波导区提供了光信号在光子晶体中的实际有效传输，含有有机聚合物的非线性共振腔起着快速高效地谐振和选模作用，控制光阈值可以大大降低。牵引区的存在使得能量传递效率更高，相比传统光子晶体光开关，其大大减小了开关的插入损耗，开关的消光比也得到了很大的改善，可以工作在1550nm处，能够满足高速率、大容量的光通信交换网络和数字光计算的需求。此结构的光子晶体全光开关可灵活改变三角晶格光子晶体的各参数、有机聚合物的种类、波导区的分布、牵引区小孔的直径等，因此可以设计其工作波长、消光比、阈值光强等光学性能。由于该结构的光子晶体全光开关具有实际应用的价值，可以为制作和生产提供可靠和方便。
附图说明
图1是传统结构的非线性光子晶体全光开关的结构图。信号光沿着XZ横截面入射，控制光沿Y轴垂直于横截面入射在中央点缺陷处。
图2为本发明光子晶体全光开关的结构图，图中有：三角晶格光子晶体1、波导区2、牵引区3、第一小孔31、第二小孔32，非线性共振腔4。信号光从波导区2的左端输入，波导区2的右端输出。控制光垂直XZ轴沿着介质柱入射在中央非线性共振腔4处。
图3为本发明光子晶体全光开关工作区的能量分布图。即在断开状态时和接通状态是，输出端得到了不同的光强度。
具体实施方式
本发明提供的一种光子晶体全光开关由三角晶格光子晶体、波导区、牵引区、非线性共振腔构成。其中三角晶格光子晶体是沿XZ轴呈三角形周期性分布的大空气孔型光子晶体，其大空气孔的横截面为圆形，且大空气孔的半径在光波长数量级，平板厚度为光波长数量级，衬底可以为硅材料；波导区位于三角晶格光子晶体的两端，是由填充了三角晶格光子晶体中的两排对称的空气孔后形成的线缺陷(但两线缺陷不相通)组成，填充的材料与衬底材料相同，为硅介质，并且波导的末端与牵引区的第二小孔32相连；牵引区是由非线性共振腔周围的4个空气孔组成，但此4个空气孔的半径比三角晶格光子晶体中的其他大空气孔半径要小，构成点缺陷，形成了两对成对称分布的第一小孔31和第二小孔32；非线性共振腔是由Kerr型非线性光学材料填充中央处的大空气孔而成，可以为有机聚合物材料，如含有对甲苯磺酸取代基的聚二乙炔(PDA-PTS)。
信号光从波导区的左端输入，波导区的右端输出。控制光垂直XZ轴沿着介质柱入射在中央非线性共振腔处；信号光可以在通用1550nm光波段，控制光可以由常用激光器提供或者由其倍频光提供。通过改变光子晶体晶格常数，可以设计缺陷模位于通用光窗口1550nm处，以实现通用光波段的全光开关。具体参数为：晶格常数a＝661nm，空气孔直径d＝540nm，介质硅折射率为3.4，点缺陷处采用含有对甲苯磺酸取代基的聚二乙炔(PDA-PTS)晶体作为Kerr型非线性光学材料，非线性折射率为n2＝2.2×10-12(cm2/W)，线性折射率为n0＝1.88，小孔1的直径为0.4a，小孔2的直径为0.3a，该光子晶体平板厚度取500nm。
传统的非线性光子晶体全光开关只给出了在理论推导下的概念性模型，没有从系统的角度分析实际问题；与传统的非线性光子晶体全光开关不同的是：该全光开关的基质是按三角形周期性分布的大空气孔型光子晶体；引入两条对称的不相通的线缺陷作为光波导；并还引入一点缺陷以形成非线性共振腔，点缺陷处填充有机聚合物非线性光学材料；并且还引入了4个点缺陷作为牵引区；在沿横截面呈三角形周期性分布的大空气孔、波导区、非线性共振腔和牵引区的共同作用下，三角形周期性分布的大空气孔可以产生很宽的二维光子带隙，波导区提供了光信号在光子晶体中的实际有效传输，同时含有有机聚合物的非线性共振腔起着快速高效地谐振和选模作用，控制光阈值可以大大降低。
另外还引入了一个牵引区，牵引区由两对小孔组成，小孔实际上也是点缺陷，但作用却和非线性共振腔不同，它们是起导光作用：第二小孔32是和波导紧连一起，在输入端通过谐振增强了它周围的光强，这样可以更有利于能量向中央非线性共振腔处传递，在输出端经过第二小孔32谐振出来的光可以直接进入波导，在很大程度上增强了输出光的强度；第一小孔31通过谐振，起连接第二小孔32和中央非线性共振腔的作用，使得能量传递效率更高，其大大减小了开关的插入损耗，开关的消光比也得到了很大的改善。
Claims (5)
1.一种光子晶体全光开关，其特征在于该光子晶体光开关包括三角晶格光子晶体(1)、波导区(2)、牵引区(3)、非线性共振腔(4)；其中，三角晶格光子晶体(1)是沿XZ轴呈三角形周期性分布的大空气孔型光子晶体，在其两端引入对称的线缺陷构成波导区(2)，在三角晶格光子晶体(1)的中心空气孔上设有非线性共振腔(4)，在波导区(2)和非线性共振腔(4)之间设有牵引区(3)，信号光从波导区(2)的左端输入，波导区(2)的右端输出；控制光垂直XZ轴沿着介质柱入射在中央非线性共振腔(4)处；
所述的牵引区(3)是包含了非线性共振腔(4)周围的4个空气孔，但此4个空气孔的半径比三角晶格光子晶体(1)中的其他空气孔半径要小，形成点缺陷，构成了两对成对称分布的第一小孔(31)和第二小孔(32)。
2.根据权利要求1所述的光子晶体全光开关，其特征在于非线性共振腔(4)是由非线性光学材料聚二乙炔PDA-PTS填充空气孔而成。
3.根据权利要求1所述的光子晶体全光开关，其特征在于波导区(2)是由填充了三角晶格光子晶体(1)中的两排对称的空气孔后形成的线缺陷构成，两线缺陷不相通，填充的材料与衬底材料相同，同时波导的末端与牵引区(3)的第二小孔(32)相连。
4.根据权利要求1所述的光子晶体全光开关，其特征在于三角晶格光子晶体(1)的大空气孔的横截面为圆形，平板厚度为微米数量级，衬底为硅材料。
5.根据权利要求1所述的光子晶体全光开关，其特征在于信号光是目前通用光波段，控制光由常用激光器提供或者由其倍频光提供。
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