CN103792755A - 一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，啁啾的引入，使得双稳态开关中的布拉格波数沿轴向发生变化，布拉格波数沿轴向发生变化使同一频率的入射光谐振次数减少，因而内部反馈减弱，导致双稳环上支透过率降低，最终使开关阈值减小。该光开关可用CdS_xSe_1-x玻璃作为材料，用离子交换技术、全息曝光、离子束刻蚀技术得到。通过引入啁啾形式的折射率分布，获得了更低阈值的光学双稳态，从而实现性能更优的全光开关。在本发明中运用了半导体掺杂实现介电常数的连续可调，由此实现了更低阈值的全光开关，具有结构简单、操作方便等性能。

Description

一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法

技术领域

本发明涉及一种全光开关，更具体说，它涉及一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法。

背景技术

随着光通信技术的迅速发展，全光开光已经成为数字光通信和全光网络所必备的基本器件。对全光元件，特别是全光开关的研究，是近年来研究的热点。光学双稳态（Optical Bistable:OB）是指通过控制光调控光学系统高和低两种不同的输出状态，使得光信号发生受控转变的现象。从物理原理上看，光学双稳态现象类似于电子器件中广泛应用的逻辑门。与电子器件相比，光学双稳态具有开关速度快、不受电磁干扰、功耗较低等优点，其应用领域涉及光开关器件、光逻辑计算、光放大器、数字光通信器件等多个方面。

光学开关的阈值是指能使光学系统产生反转的最小控制光的强度，也就是发生开关的临界值，低阈值开关有利于更精确地实现光学控制、降低器件的功耗、减小开关的响应时间、提高开关的灵敏度。目前在非线性光学领域，获取低阈值光学双稳态形成的光开关是重要的研究方向。近几十年来国内外在光学双稳态方面开展了大量的研究工作，并在理论和实验上取得了重大的进展。到目前为止，关于光学双稳态器件的发展有以下几个方向：1.在二维光子晶体平板微腔中加入非线性克尔介质实现了全光双稳态开关，通过优化结构，得到了大于15dB的开关比和375mW的最小输入功率（文献1,Hamed Pezeshki,Vahid Ahmadi.All-optical bistable switching based on photonic crystal slab nanocavity using nonlinearKerr effect.Journal of Modern Optics,2012,Vol.60,No.2,103-108）。2.研究在光子晶体中利用材料中的光子载流子引起的“带填充”效应，导致非线性光子晶体具有较大的光调制特性，实现了低阈值高效光开关和100ps的光学双稳开关时间（文献2，Chen Ming,Li Chun-fei,et al.Characteristics of Optical Bistability of Nonlinear One-dimensional Photonic CrystalWaveguide.ACTA OPTICA SINICA,2004,25(6):620-624）。3.在2011年，Damien Brissinger等人采用近场硅纳米针尖调控纳米腔的光学模式，调节近场硅纳米针尖与非线性纳米腔的距离，改变光与物质的相互作用，使得腔内单稳态和双稳态之间相互转换，实现了硅腔中的光学双稳态(文献3，Brissinger D,Cluzel B,Coillet A et al.Near-field control of opticalBistability in a nanocavity.General Assembly and Scientific Symposium,2011,30thURSI)。如上所述，在光子晶体介质结构中放入非线性介质来获得光学双稳态的研究已经很多，但使用的方法、结构都较为复杂，实现成本高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种在不改变材料的消耗以及其他光学性能的基础上实现阈值更低全光开关性能的啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法。

这种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，包括：

步骤1：取折射率分布为余弦分布的光子晶体，其折射率的分布满足：

n(z)＝n₀+n₁(z)+n₂(z)   （1）

其中，n₀为平均折射率，为折射率周期性变化幅度，为非线性效应引起的折射率分布，这里E(z)表示光栅内部电场振幅，Λ为周期数，z表示其轴向方向，η为克尔系数；

步骤2：引入线性啁啾，改变公式（1）中的折射率n₁，使其满足下面的表达式：

$n_1\left(z\right)=n_0\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}z\×{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}\left(z\right))--\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}\left(z\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{2z}{L}& 0\≤z\≤\frac{L}{2}\\ 2-\frac{2z}{L}& \frac{L}{2}\≤z\≤L\end{array}\right.$

经过折射率调控，光波波数β将随轴向（z方向）变化；其变换规律可表示为β(z)=β₀+C(z-L/2)/L²，式中β₀为平均波数，C为啁啾系数，C=2～7，L为光子晶体的长度，L=0.3cm～4.5cm；

步骤3：采用半导体掺杂实现啁啾折射率的变化；以CdS_xSe_1-x半导体微晶作为一维啁啾双稳态开关的材料；通过改变CdS_xSe_1-x中的x值，x=0～1，使其折射率满足在z方向上以啁啾的形式分布，其交替变化满足公式（2）。

作为优选：步骤1中，折射率为余弦分布的光子晶体由离子交换技术制作。

作为优选：步骤2中，公示（2）可以用其它非线性的啁啾来表达：汉宁窗函数、海明窗函数、布莱克曼窗函数或凯塞窗函数。

作为优选：步骤3中，折射率关于x的变化曲线的拟合公式为：

n₁=0.06184*x²-0.26202*x+2.48061。

作为优选：步骤2中，n₀=1.551，η=-1.0*10^-9cm²/W，C=5，L=1cm。

本发明的有益效果是：啁啾的引入，使得双稳态开关中的布拉格波数沿轴向发生变化，布拉格波数沿轴向发生变化使同一频率的入射光谐振次数减少，因而内部反馈减弱，导致双稳环上支透过率降低，最终使开关阈值减小。通过引入啁啾结构，获得了低阈值的光学双稳态效应性能。该光学双稳态器件在不改变材料的消耗以及其他光学性能的基础上实现阈值更低全光开关的性能。该光开关可用CdS_xSe_1-x玻璃作为材料，用离子交换技术、全息曝光、离子束刻蚀技术得到。通过引入啁啾形式的折射率分布，获得了更低阈值的光学双稳态，从而实现性能更优的全光开关。

为了获得简单结构、低成本的低阈值光学双稳态开关，本发明根据光子局域特性，运用非周期的介质结构(啁啾结构)调控非线性介质，使得光在非线性介质中产生更强的局域现象，在较为简单的结构上，实现了低阈值的光学双稳态。在本发明中运用了半导体掺杂实现介电常数的连续可调，由此实现了更低阈值的全光开关，具有结构简单、操作方便等性能。

附图说明

图1为余弦分布的折射率分布曲线；

图2为引入啁啾后的折射率分布；

图3为啁啾形式折射率示意图；

图4为开关工作原理图；

图5为不同啁啾系数下双稳态曲线图，a、b、c、d、e对应啁啾系数分别为5、2、0、-2、-5；

图6为啁啾结构与周期性一维光子晶体双稳态比较图；

图7为对信号光的开关控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。

本发明的原理：由于啁啾的引入，使得双稳开关中的布拉格波数沿轴向发生变化，布拉格波数沿轴向发生变化使同一频率的入射光谐振次数减少，因而内部反馈减弱，导致双稳环上支透过率降低，最终使开关阈值减小。

光学双稳态开关的工作原理：如附图4所示，选择一个略低于I_th(双稳态阈值)的偏置光强I_b，但一个微小的信号脉冲到来时，系统便由低透射态跳至高透射态，于是，一个微小信号I_s就启动了一个大功率光开关I₀。光开关的流程图如图7所示，信号光和控制光在输入双稳态开关后，双稳开关光随着控制光的强弱转换状态，从而实现对信号光的控制。

L的范围为0.3cm-4.5cm，理由是当L太小时，啁啾的数量太少，对双稳阈值的影响不明显，而当L太大时，啁啾结构对光的限制太强，双稳态现象将会消失。

图2所示为本发明所设计的一维啁啾结构双稳态光开关器件的折射率分布图，其设计过程如下：

步骤1：确定一维啁啾结构双稳态开关器件的折射率分布如图2所示，即折射率n(z)满足：

$n_1\left(z\right)=n_0\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}z\×{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}\left(z\right))--\left(2\right)$

其中 ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}\left(z\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{2z}{L}& 0\≤z\≤\frac{L}{2}\\ 2-\frac{2z}{L}& \frac{L}{2}\≤z\≤L\end{array}\right.,$ 引入啁啾后的波数β变化表示为有β(z)=β₀+C(z-L/2)/L²,式中β₀为平均波数，C为啁啾系数，L为整个器件的的长度，整个一维啁啾双稳态开关共有19层，选取材料的线性折射率为n₀=1.551，非线性系数η=-1.0*10^-9cm²/W，啁啾系数C=（-5，-2,0,2,5），长度L=1cm，选取的材料为CdS_xSe_1-x晶体，由于玻璃中半导体微晶的局域场增强，材料具有较大的非线性折射率系数。

步骤2：通过半导体掺杂实现啁啾折射率的变化。具体用CdS_xSe_1-x半导体材料作为一维啁啾双稳态开关的材料，通过改变CdS_xSe_1-x中的x值（x=0～1），折射率关于x的变化曲线的拟合公式：n₁=0.06184*x²-0.26202*x+2.48061。可使其折射率满足在z方向上以啁啾的形式分布，如图3所示，深色表示高折射率介质，浅色表示低折射率介质，介质折射率的交替变化满足公式（2）。CdS_xSe_1-x玻璃含有CdS_xSe_1-x半导体微晶，且微晶组分比可以调整，控制材料制备过程和微晶颗粒度分布，可以在特定激光波长下设计材料折射率、光吸收、非线性饱和及非线性时间响应。先采用离子交换技术制成开关结构，再使用全息报关、离子束刻蚀技术得到啁啾结构的双稳态光开关。

根据我们的设计，采用Ar离子激光器发出的波长为514.5nm的激光。由于材料的非线性作用，随着入射光功率密度的增加，材料的折射率发生变化，从而使得器件的带隙产生移动。当光功率密度增加到一定程度的时候，波长为514.5nm的Ar离子激光将从禁带中心移到带隙紫外，反射率大大降低。为了进一步了解该结构光双稳态开关的特性，我们先在计算机中用有限时域差分的方法模拟了结果，然后在实验装置中测试了双稳态阈值。

我们选取了5个啁啾系数进行双稳态性能的对比，当啁啾系数C分别取-5、-2、0、2、5时的双稳态图如图5所示，对应的曲线分别为a、b、c、d、e，图中的I_i为输入光，I_t为输出光，并且已经将I_i、I_t进行归一化处理，对应的双稳态阈值见表1。可以看到引入负啁啾会导致开关阈值增加，随着负啁啾系数的增加，开关阈值逐渐变大，直至双稳现象消失。而正啁啾的引入使得开关阈值显著降低。

啁啾系数	5	2	0	-2	-5
						开关阈值	0.21	0.43	0.62	0.75	无双稳态

表1不同啁啾系数时的开关阈值（已归一化）

测试结果显示，取啁啾系数为c=5时获得的阈值最低，为1600W/cm²，开关时间为63ps，采用时域有限差分方法模拟得到的双稳态开关的阈值功率密度为1400W/cm²，开关时间约为50ps。实验结果与时域有限差分方法计算模拟的结果基本一致，从而实现了低功耗和快速的光双稳态开关。相比于一维光子晶体双稳态中的阈值，双稳态开关的阈值降低了42.85%，实现了更低功耗的双稳态开关。

图6为啁啾结构与周期性光子晶体的双稳态图对比，表2为周期性结构的双稳开关与啁啾结构双稳开关的性能对比，可以看到，周期性结构的双稳态阈值为2800KW/m²，开关时间为120ps，采用啁啾结构的双稳态阈值为1600KW/m²，开关时间为63ps，啁啾结构双稳开关的性能相比于周期性结构的双稳态开关有了明显提高。

	周期性结构双稳态开关	啁啾结构双稳态开关
			阈值	2800KW/m2	1600KW/m2
开关时间	120ps	63ps

表2光子晶体双稳态开关与啁啾结构双稳态开关性能对比

Claims (5)

1.一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，其特征在于：包括：

步骤1：取折射率分布为余弦分布的光子晶体，其折射率的分布满足：

n(z)＝n₀+n₁(z)+n₂(z)  （1）

其中，n₀为平均折射率，

为折射率周期性变化幅度，

为非线性效应引起的折射率分布，这里E(z)表示光栅内部电场振幅，Λ为周期数，z表示其轴向方向，η为克尔系数；

步骤2：引入线性啁啾，改变公式（1）中的折射率n₁，使其满足下面的表达式：

$n_1\left(z\right)=n_0\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}z\×{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}\left(z\right))--\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}\left(z\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{2z}{L}& 0\≤z\≤\frac{L}{2}\\ 2-\frac{2z}{L}& \frac{L}{2}\≤z\≤L\end{array}\right.$

经过折射率调控，光波波数β将随轴向（z方向）变化；其变换规律可表示为β(z)=β₀+C(z-L/2)/L²，式中β₀为平均波数，C为啁啾系数，C=2～7，L为光子晶体的长度，L=0.3cm～4.5cm；

步骤3：采用半导体掺杂实现啁啾折射率的变化；以CdS_xSe_1-x半导体微晶作为一维啁啾双稳态开关的材料；通过改变CdS_xSe_1-x中的x值，x=0～1，使其折射率满足在z方向上以啁啾的形式分布，其交替变化满足公式（2）。

2.根据权利要求1所述的啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，其特征在于：步骤1中，折射率为余弦分布的光子晶体由离子交换技术制作。

3.根据权利要求1所述的啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，其特征在于：步骤2中，公示（2）可以用其它非线性的啁啾来表达：汉宁窗函数、海明窗函数、布莱克曼窗函数或凯塞窗函数。

4.根据权利要求1所述的啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，其特征在于：步骤3中，折射率关于x的变化曲线的拟合公式为：n₁=0.06184*x²-0.26202*x+2.48061。

5.根据权利要求1所述的啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法，其特征在于：步骤2中，n₀=1.551，η=-1.0*10^-9cm²/W，C=5，L=1cm。

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