CN103472532B - 光子晶体全光学可调谐滤波器 - Google Patents

光子晶体全光学可调谐滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体全光学可调谐滤波器，它为二维光子晶体结构，包括三个端口、一个信号光和调控光输入波导、一个信号光输出波导、一个调控光输出波导；所述三个波导的交汇处对称设置两个光子晶体缺陷腔，在该光子晶体缺陷腔中分别设置一根可移动的介质柱；在所述光子晶体缺陷腔的上部和下部分别删除几根介质柱与调控光输出波导和信号光输出波导构成奇模和偶模输出结构。本发明结构简单，响应速度快，抗干扰性强，易与其他光学逻辑元件集成。

Description

光子晶体全光学可调谐滤波器
技术领域
本发明涉及二维光子晶体、光机械力效应
背景技术
1987年，美国Bell实验室的E.Yablonovitch在讨论如何抑制自发辐射和Princeton大学的S.John在讨论光子区域各自独立地提出了光子晶体（Photonic Crystals）的概念。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。
随着光子晶体的提出和深入研究，人们可以更灵活、更有效地控制光子在光子晶体材料中的运动。在与传统半导体工艺和集成电路技术相结合下，人们通过设计与制造光子晶体及其器件不断的往全光处理飞速迈进，光子晶体成为了光子集成的突破口。1999年12月，美国权威杂志《科学》将光子晶体评为1999年十大科学进展之一，也成为了当今科学研究领域的一个研究热点。
全光学可调谐滤波器是各种微光学回路中的基本构成元素，如微型可调激光器、微光学信号探测器和微光学信号分析器等。获得光学调制的方法有很多，传统的应用有光栅衍射效应、热电效应、非线性效应、电光效应和磁光效应等，而实现全光学调制的微光学回路仍然是一项极具挑战性的工作。
近期，科学界提出了光力（Optical Force）这一概念，它是由光能量密度产生的一种梯度力。我们所知道的“光镊子”技术就是激光通过这种梯度力可牢牢地钳取一个生物分子。“光力”的提出为光机械系统的发展带来了新的动力，它可应用于光波长转换和光学机械能转换等方面，同时为微光学回路的全光学频率调谐提供了行之有效的方法。
光子晶体微腔可在一个很小的腔模体积内实现非常高的品质因子，因此光子晶体微腔在微光学回路中有着非常重要的应用价值。由于光子晶体微腔在谐振时，腔内存储着巨大的能量，因此腔内的谐振杆必存在着由能量密度所引起的梯度力。通过将光力引入光子晶体微腔即可对腔内状态的改变，从而实现全光学调制。通过光机械力效应的方式利用光控光的方法实现纳米光学原件功能比通过非线性效应等传统方法要来得行之有效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的缺点，提供一种结构简单、抗干扰性强、易于集成的光子晶体全光学可调谐滤波器。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：
本发明的光子晶体全光学可调谐滤波器为二维光子晶体结构，它包括三个端口、一个信号光和调控光输入波导、一个信号光输出波导和一个调控光输出波导；所述三个波导的交汇处对称设置两个光子晶体缺陷腔，在该光子晶体缺陷腔中分别设置一根可移动的介质柱；在所述光子晶体缺陷腔的上部和下部分别删除几根介质柱与右方波导和下方波导构成奇模和偶模输出结构。
所述三个端口的左端、下端、右端分别为信号光和调控光输入端、信号光输出端和调控光输出端。
所述可移动的介质柱为高折射率线性介质柱。
所述高折射率线性介质柱的折射率大于2，所述高折射率线性介质柱的横截面形状可以是圆形、椭圆形、三角形或多边形。
所述高折射率线性介质柱的折射率为3.4。
所述二维光子晶体为(2k+1)×(2k+1)结构，其中k为大于等于3的正整数。
所述二维光子晶体的高折射率线性介质柱的横截面可以是圆形、椭圆形、三角形或多边形。
所述二维光子晶体的背景填充材料由空气或泡沫材料构成的折射率等于1或1至1.2的介质。
所述二维光子晶体缺陷腔中填充的泡沫介质的介电常数等于1或1至1.2。
由于采用上述技术方案，本发明提供的光子晶体全光学可调谐滤波器具有这样的有益效果，即结构简单，响应速度快，抗干扰性强，易与其他光学逻辑元件集成。
附图说明
图1为本发明的光子晶体全光学可调谐滤波器的结构图。
图2为图1所示的三维示意图。
图3为本发明的光子晶体全光学可调谐滤波器在晶格常数a=1μm时，不同状态下的模场分布图。
图3（a）为图3中的信号光输入时的模场分布图；
图3（b）为图3中的调控光输入时的模场分布图；
图3（c）是图3中的信号光与调控光同时注入时的信号光与调控光频率为110.46THz与103.62THz的模场分布图；
图3（d）是图3中的信号光与调控光同时注入时的信号光与调控光频率为108.95THz与103.62THz的模场分布图。
图4为本发明的光子晶体全光学可调滤波器的传输率谱。
图4（a）为图4中的晶格常数a=1μm时滤波器的传输率谱；
图4（b）为图4中的晶格常数a=0.5704μm时滤波器的传输率谱。
图中：信号光A 调控光B 信号光和调控光输入端口1 信号光输出端口2 调控光输出端口3 介质柱4 圆形高折射率线性介质柱5 中心介质柱6 介质柱7
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
在图1中，本发明的光子晶体全光学可调谐滤波器为二维光子晶体结构，它包括三个端口、一个信号光和调控光输入波导、一个信号光输出波导和一个调控光输出波导；所述三个端口的左端、下端和右端分别为信号光和调控光输入端口1、信号光输出端口2（偶模输出端口）和调控光输出端口3（奇模输出端口）；所述二维光子晶体结构的左方波导、下方波导和右方波导分别为信号光和调控光输入波导、信号光输出波导和调控光输出波导；信号光A和调控光B由信号光和调控光端口1输入；信号光端口2输出，调控光端口3输出；三个波导的交汇处对称设置两个光子晶体缺陷腔；在所述光子晶体缺陷腔的上部和下部分别删除几根介质柱与调控光输出波导和信号光输出波导构成奇模和偶模输出结构；所述光子晶体缺陷腔中设置有两根可移动的介质柱4、可移动的介质柱7；二维光子晶体结构的可移动介质柱4，即圆形高折射率线性介质柱4，可移动的介质柱4可采用圆形，也可以采用椭圆形、三角形或多边形。可移动的介质柱4采用硅（Si）材料，折射率为3.4，半径为0.1a，其纵向坐标为0，可沿x方向横向移动；二维光子晶体结构的圆形高折射率线性介质柱5，高折射率线性介质柱5的横截面可采用圆形，也可以采用椭圆形、三角形或多边形。介质柱5采用硅（Si）材料，折射率为3.4，半径为0.2a；二维光子晶体结构的中心介质柱6可采用圆形，也可以采用椭圆形、三角形或多边形。中心介质柱6采用硅（Si）材料，折射率为3.4，半径为0.2a，其圆心位置为x-y平面的原点；二维光子晶体结构的可移动介质柱7，即圆形高折射率线性介质柱7，可移动的介质柱7可采用圆形，也可以采用椭圆形、三角形或多边形。可移动的介质柱7采用硅（Si）材料，折射率为3.4，半径为0.1a，其纵向坐标为0，可沿x方向横向移动，且其移动方向与4介质柱沿y=0轴对称；
本发明的技术方案是基于二维光子晶体所具有的光子带隙特性、光子晶体微腔及光机械力效应，实现光子晶体全光可调谐滤波功能。
本发明的基本原理在于：二维光子晶体提供一个具有一定带宽的光子带隙，波长落在该带隙内的光波可在光子晶体内所设计好的光路中传播，因此将器件的工作波长设置为光子带隙中的某一波长，该波长的光波可在所设计的波导中以非常低的损耗传播；本发明结构中心具有两个对称的光子晶体微腔，所述光子晶体微腔具有很高的品质因子，可很好的存储符合谐振波长光波的能量；通过对结构中心的耦合结构的设计使奇模和偶模光波分别从不同输出端口输出；输入光波在结构中心的两个对称谐振腔中发生谐振，腔中产生一定的能量密度，由于光机械力效应，腔中的可移动介质柱会受到一定的光梯度力，可移动介质柱会发生移动到达新的平衡点位置，在该平衡点位置处，光梯度力与光子晶体缺陷腔中所填充的泡沫介质的弹性回复力达到新的平衡。缺陷杆位置的移动，使谐振腔的谐振状态发生变化，即实现对输入光波的滤波功能。
光力可基于能量守恒定律对其进行计算。谐振腔的本征频率会随着腔内可移动介质柱位置变化而变化，进而引起整个腔内能量密度的变化。我们可以把这种能量变化理解为光子力做功的结果，因此，这种作用于可移动介质柱的光子机械力可表示为
式中U为腔内所存储的能量；l为可移动介质柱偏离平衡位置的偏移量；ω为输入光波的频率。可见，可移动介质柱所受的光力与腔中的能量和偏移量有关。
如图1和图2所示，信号光A和调控光B从输入端口1输入，通过对结构中心的耦合结构的设计，信号光A与调控光B将分别从不同的输出端口输出，其中，信号光A从信号光输出端口2输出，调控光B从调控光输出端口3输出。当输入端口1只有信号光输入时，某一模式下的信号光A将从信号光输出端口2输出；在上述情况下，同时在输入端口1注入调控光即可在腔中产生光力，该调控光B将从调控光输出端口3输出，同时由于调控光的注入，谐振腔内的能量密度发生变化，使可移动介质柱产生位移，谐振腔的谐振状态发生变化（改变谐振腔的谐振频率），进而改变了信号光输出端口的信号光输出模式，即实现本发明既有的全光可调谐滤波功能。
由上述二维光子晶体结构的特性，本发明器件可全光可调谐滤波功能。
本发明器件的光子晶体结构可以是(2k+1)×(2k+1)的阵列结构，k为大于等于3的整数。下面结合附图给出了两个实施例，在实施例中以25×25阵列结构，晶格常数a分别以1μm及a=0.5704μm为例给出设计和模拟结果。
实施例1
参照图1所示，当晶格常数a=1μm时，圆形高折射率线性介质柱5和中心介质柱6的半径为0.2μm；结构中心两个对称谐振腔中的可移动介质柱4与介质柱7的半径皆为0.1μm；设介质柱4与介质柱7在P0功率的信号光或调控光输入时的坐标分别为（0.6，0）与（-0.6，0）；设介质柱4与介质柱7在P0功率的信号光与P1功率的调控光同时输入时的坐标分别为（0.7，0）与（-0.7，0）；信号光A，从输入端口1输入到信号光和调控光输入波导中；调控光B，从输入端口1输入到信号光和调控光输入波导中；信号光A经信号光输出波导至输出端口2；调控光B经调控光输出波导至输出端口3。
参照图1，当只有信号光A从输入端口1输入到信号光和调控光输入波导时，输入功率为P0，信号光频率为110.46THz，对应信号光波长为2.7174μm.如图3（a）所示，信号光在结构中心的两谐振腔中产生偶模振荡，信号光A经信号光输出波导从输出端口2输出;
当只有调控光B从输入端口1输入到信号光和调控光输入波导时，输入功率为P1，调控光频率为103.62THz，对应调控光波长为2.8843μm.如图3（b）所示，调控光在结构中心的两谐振腔中产生奇模振荡，调控光B经调控光输出波导从调控光输出端口输出，即从输出端口3输出；
信号光功率保持为P0，调控光功率保持为P1，当频率为110.46THz的信号光A和频率为103.46THz的调控光B同时从输入端口1输入时，介质柱4与介质柱7受到光梯度力的影响，其位置将分别从原来的（0.6，0）与（-0.6，0）移动到（0.7，0）与（-0.7，0），频率为110.46THz的信号光输出被强烈抑制，该频率的信号光只有很少余量的光波输出，如图3（c）所示。
将信号光频率变为108.95THz，功率保持为P0，调控光频率保持为103.46THz，输入功率仍为P1，该频率的信号光处于高传输率状态，即输入光大部分由信号输出端口2输出，如图3（d）所示。此时，介质柱4与介质柱7受到光梯度力的影响，其位置将分别从原来的（0.6，0）与（-0.6，0）移动到（0.7，0）与（-0.7，0），这时，其它频率的信号光处于低传输率状态，即滤波曲线的中心波长发生了改变，从而实现了调控光对谐振腔滤波特性的控制。
由上述结果分析可以得出，本发明结构在晶格常数a=1μm情况下，结构的传输率峰点频率为110.46THz，对应波长为2.7174μm，该频率下的光波在结构输出端口处于高透状态；调控光注入后，可移动介质柱由于光梯度力而产生位移，因而结构的谐振频率发生改变，原来的高透频率变为低透。图4（a）给出了完整的调谐曲线，该图显示，相对于无调控光的情况，有调控光时，信号光的传输率峰点频率由110.46THz偏移到了108.95THz.可见本发明的结构可实现全光学的可调谐滤波器功能。
实施例2
参照图1所示，当晶格常数a=0.5704μm时，圆形高折射率线性介质柱5和中心介质柱6的半径为0.1141μm；结构中心两个对称谐振腔中的可移动介质柱4与介质柱7的半径皆为0.057μm；设介质柱4与介质柱7在P0功率的信号光或调控光输入时的坐标分别为（0.3422，0）与（-0.3422，0）；设介质柱4与介质柱7在P0功率的信号光与P1功率的调控光同时输入时的坐标分别为（0.3993，0）与（-0.3993，0）；信号光A，从输入端口1输入到信号光和调控光输入波导中；调控光B，从输入端口1输入到信号光和调控光输入波导中；信号光经信号光输出波导从输出端口2输出；调控光经调控光输出波导从输出端口3输出。
根据麦克斯韦方程组的伸缩平移不变性原理，对结构进行缩放后，在同一缩放因子影响下的光波具有伸缩前一样的性质。如图4（b）所示，结构进行缩放后，结构在无调控光和有调控光情况下的传输率谱与缩放前的传输率谱图4（a）基本一致：只有信号光输入时，传输率峰点频率为193.55THz，对应波长为1.55um；输入信号光不变，增加调控光，传输率峰点频率偏移至191.01THz，对应波长为1.5706um.可见本发明的结构可在光通信波段实现全光学可调谐滤波功能。
通过上述两实施例得出本发明器件可实现光控光的全光可调谐滤波器功能。
以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。

Claims (8)

1.一种光子晶体全光学可调谐滤波器，其特征在于：它为二维光子晶体结构，其包括三个端口、一个信号光和调控光输入波导、一个信号光输出波导、一个调控光输出波导；所述三个端口的左端、下端和右端分别为信号光和调控光输入端口、信号光输出端口和调控光输出端口；所述二维光子晶体结构的左方波导、下方波导和右方波导分别为信号光和调控光输入波导、信号光输出波导和调控光输出波导；所述三个波导的交汇处对称设置两个光子晶体缺陷腔，在该光子晶体缺陷腔中分别设置一根可移动的介质柱；在所述光子晶体缺陷腔的上部和下部分别删除几根介质柱与调控光输出波导和信号光输出波导构成奇模和偶模输出结构。
2.按照权利要求1所述的光子晶体全光学可调谐滤波器，其特征在于：所述可移动的介质柱为高折射率线性介质柱。
3.按照权利要求2所述的光子晶体全光学可调谐滤波器，其特征在于：所述高折射率线性介质柱的折射率大于2，所述高折射率线性介质柱的横截面形状为圆形、椭圆形、多边形。
4.按照权利要求3所述的光子晶体全光学可调谐滤波器，其特征在于：所述高折射率线性介质柱的折射率为3.4。
5.按照权利要求1所述的光子晶体全光学可调谐滤波器，其特征在于：所述二维光子晶体为(2k+1)×(2k+1)结构，其中k为大于等于3的正整数。
6.按照权利要求1所述的光子晶体全光学可调谐滤波器，其特征在于：所述二维光子晶体的高折射率线性介质柱的横截面为圆形、椭圆形、多边形。
7.按照权利要求1所述的光子晶体全光学可调谐滤波器，其特征在于：所述二维光子晶体的背景填充材料由空气或泡沫材料构成的折射率等于1或1至1.2的介质。
8.按照权利要求1所述的光子晶体全光学可调谐滤波器，其特征在于：所述二维光子晶体缺陷腔中填充的泡沫介质的介电常数等于1或1至1.2。
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