CN104459990B - 基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关
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。

Claims (9)

1.一种基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关，其特征在于，其包括由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形成一个整体，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；所述低折射率介质为折射率小于1.5的介质，所述高折射率介质为折射率大于2的介质；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；所述高折射率介质为折射率大于2的介质；所述背景介质为低折射率介质，该低折射率介质为折射率小于1.5的介质；所述偏振无关光开关的归一化频率a/λ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，其中a为第一平板正方晶格光子晶体和第二正方晶格光子晶体的晶格常数，λ为入射波波长。
2.按照权利要求1所述的基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关，其特征在于，所述第一平板正方晶格光子晶体元胞内的第一平板介质杆中的套管厚度为小于或等于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减去所述套管的厚度。
3.按照权利要求1所述的基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关，其特征在于，所述第一平板介质杆距离第一平板正方晶格光子晶体的旋转正方形杆的中心为0.2a；第二平板介质杆距离第二正方晶格光子晶体的旋转正方形杆的中心为0.2a。
4.按照权利要求1所述的基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关，其特征在于，所述第一平板正方晶格光子晶体的高折射率旋转正方形杆的边长为0.5455a～0.554a，其旋转角度为22.3°～23°，所述第二正方晶格光子晶体的高折射率旋转正方形杆的边长为0.5455a～0.554a，其旋转角度为67°～67.6°；所述第一平板介质杆的宽度为0.076a～0.079a，第二平板介质杆的宽度为0.076a～0.079a。
5.按照权利要求1所述的基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关，其特征在于，所述第一和第二平板介质杆的高折射率介质为硅、砷化镓或者二氧化钛。
6.按照权利要求1所述的基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关，其特征在于，所述第一和第二平板介质杆的低折射率介质为空气、冰晶石、有机泡沫或者橄榄油。
7.按照权利要求1所述的基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关，其特征在于，在所述偏振无关光开关中，第一平板正方晶格光子晶体位于光路中，且第二正方晶格光子晶体位于光路外为一种开关状态；第二正方晶格光子晶体位于光路中，且第一平板正方晶格光子晶体位于光路外为另一种开关状态。
8.按照权利要求7所述的基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关，其特征在于，所述第一平板正方晶格光子晶体位于光路中,且第二正方晶格光子晶体位于光路外为光路连通状态；第二正方晶格光子晶体位于光路中，且第一平板正方晶格光子晶体位于光路外为光路断开状态。
9.按照权利要求1所述的基于平板光子晶体的高消光比偏振无关光开关，其特征在于，所述第一平板正方晶格光子晶体和第二正方晶格光子晶体在光路中的位置通过外力调节，所述外力为机械力、电力或者磁力。
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