CN104460174A - 一种基于二维光子晶体的全光二级管的实现方法 - Google Patents

一种基于二维光子晶体的全光二级管的实现方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104460174A
CN104460174A CN201410759307.XA CN201410759307A CN104460174A CN 104460174 A CN104460174 A CN 104460174A CN 201410759307 A CN201410759307 A CN 201410759307A CN 104460174 A CN104460174 A CN 104460174A
Authority
CN
China
Prior art keywords
microcavity
photon crystal
dielectric posts
chamber
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410759307.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN104460174B (zh
Inventor
刘彬
刘云凤
何兴道
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanchang Hangkong University
Original Assignee
Nanchang Hangkong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanchang Hangkong University filed Critical Nanchang Hangkong University
Priority to CN201410759307.XA priority Critical patent/CN104460174B/zh
Publication of CN104460174A publication Critical patent/CN104460174A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104460174B publication Critical patent/CN104460174B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3515—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam
    • G02F1/3517—All-optical modulation, gating, switching, e.g. control of a light beam by another light beam using an interferometer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3511—Self-focusing or self-trapping of light; Light-induced birefringence; Induced optical Kerr-effect

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于二维光子晶体的全光二级管的实现方法，利用FP腔与微腔的非对称耦合，两个腔相互干涉，透射谱上出现两个分离的透射峰，输入光正向入射时，局域在微腔中的光强大于反向入射时局域在微腔中的光强；选择输入光工作频率为两分离峰之间并靠近微腔的Fano峰的位置，由于微腔的光Kerr效应，随着输入光的光强增加，正向入射时微腔的Fano峰比反向入射时先红移到工作频率，对输入光达到正向导通，反向截止的效果；具有高单向透射率、非常好的正反透射比、低阈值功率、可调工作波段等诸多优点，是光网络全光通信中一种重要的光无源器件。

Description

一种基于二维光子晶体的全光二级管的实现方法
技术领域
本发明涉及利用光子晶体中介质的非线性效应来实现全光二级管的方法，尤其涉及利用二维光子晶体FP腔与微腔的非对称耦合效应来实现全光二级管的方法。
背景技术
随着科技的不断进步，信息量的日益增加，人们需要传输的信息量也就越来越多，现阶段以电子为信息传输媒介的半导体器件已经不能满足人们的需求，新型材料光子晶体的出现能够让人们遇到的这些问题得到很好的解决，研究光子晶体器件的功能以及性能成为以后为光集成链路中必不可少的环节。
全光二极管是指光从一端入射有透射光，而从相反的方向入射无透射光的光无源器件。类似于电子二极管具有正向导通，反向截止的功能。本发明所设计全光二极管不包含磁场或泵浦源，仅由传输光控制，为被动型全光二极管。本发明具单向透射率高、高正反透射比、低阈值功率、工作波段可调等优点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有全光二级管设计性能的不足而提出的一种新的基于二维光子晶体的全光二级管的设计方法，该方法设计新颖、灵活方便、性能优异且能保证稳定的工作。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种基于二维光子晶体的全光二级管的实现方法，利用FP腔与微腔的非对称耦合，两个腔的相互干涉，透射谱上出现两个分离的透射峰，输入光正向入射时，局域在微腔中的光强大于反向入射时局域在微腔中的光强；选择输入光工作频率为两分离峰之间并靠近微腔的Fano峰的位置，由于微腔的光Kerr效应，随着输入光的光强增加，正向入射时微腔的Fano峰先红移到工作频率，输入光正向导通，反向截止。
一种基于二维光子晶体的全光二级管的结构，包括背景、构成光子晶体结构介质柱、反向入射端口/正向透射端口、反向透射端口/正向入射端口、晶格常数、波导、FP腔和微腔；所述FP腔包括可调FP腔介质柱、修饰介质柱和微腔对应介质柱。
所述构成光子晶体结构介质柱、所述可调FP腔介质柱、所述微腔、所述微腔对应介质柱和所述修饰介质柱的材料均为GaAs。
所述背景的材料为空气。
所述构成光子晶体结构介质柱为圆形，其周期排列为六角格子或正方格子。
所述构成光子晶体结构介质柱之间距离为晶格常数，晶格常数用于调节光子晶体能带范围。
所述可调FP腔介质柱的尺寸和位置，用于调节FP腔的峰值频率。
所述微腔的尺寸和所述修饰介质柱的尺寸及位置，用于调节微腔的Fano峰的Q值和透射率。
一种基于二维光子晶体的全光二级管的应用，基于二维光子晶体的全光二级管应用于光网络全光通信技术及其设备装置。
本发明的基于二维光子晶体的全光二级管，导通状态时，透射率可达到80%以上，截至状态时透射率几乎可达到0，正反透射比高；在实现方法中器件所需要的正向导通的光强阈值很小，达到mW量级，器件所需光功率小；具有高单向透射率、非常好的正反透射比、低阈值功率、可调工作波段等诸多优点。属于光无源器件，不包含磁场或泵浦源，其作用在光检测、光开关、光逻辑门、光存储、光计算机等方面有着广泛的应用，是光网络全光通信中一种重要的光无源器件。
附图说明
图1为本发明的设计结构示意图。
图2为FP腔和微腔的相互干涉，透射谱上出现两个分离的透射峰。
图3为具有高Q值的微腔的Fano峰。
图4为输入光工作频率为0.5626ωa/2πc时正反向透射端口随入射光强变化透射图。
图5为输入光工作频率为0.5623ωa/2πc时正反向透射端口随入射光强变化透射图。
图6a为图4中正向输入光强为0.3mW/μm正向截止光场分布图。
图6b为图4中正向输入光强为0.7mW/μm正向导通光场分布图。
图6c为图4中反向输入光强为0.7mW/μm反向截止光场分布图。
图6d为图4中反向输入光强为1.5mW/μm反向击穿光场分布图。
图中：101.背景，102.构成光子晶体结构介质柱，103.反向入射端口/正向透射端口,104.FP腔,105.可调FP腔介质柱,106.微腔,107.修饰介质柱,108.微腔对应介质柱,109. 波导,110.反向透射端口/正向入射端口, a.晶格常数。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，一种基于二维光子晶体的全光二级管的实现方法，利用FP腔104与微腔106的非对称耦合，两个腔的相互干涉，透射谱上出现两个分离的透射峰，输入光正向入射时，局域在微腔106中的光强大于反向入射时局域在微腔106中的光强；选择输入光工作频率为两分离峰之间并靠近微腔106的Fano峰的位置，由于微腔106的光Kerr效应，随着输入光的光强增加，正向入射时微腔106的Fano峰先红移到工作频率，输入光正向导通，反向截止。
一种基于二维光子晶体的全光二级管的结构，包括背景101、构成光子晶体结构介质柱102、反向入射端口/正向透射端口103、反向透射端口/正向入射端口110、晶格常数a、波导109、FP腔104和微腔106；所述FP腔104包括可调FP腔介质柱105、修饰介质柱107和微腔对应介质柱108。
所述构成光子晶体结构介质柱102、所述可调FP腔介质柱105、所述微腔106、所述微腔对应介质柱108和所述修饰介质柱107的材料均为GaAs。
所述背景101的材料为空气。
所述构成光子晶体结构介质柱102为圆形，其周期排列为六角格子或正方格子。
所述构成光子晶体结构介质柱102之间距离为晶格常数a，晶格常数a用于调节光子晶体能带范围。
所述可调FP腔介质柱105的尺寸和位置，用于调节FP腔104的峰值频率。
所述微腔106的尺寸和所述修饰介质柱107的尺寸及位置，用于调节微腔106的Fano峰的Q值。
一种基于二维光子晶体的全光二级管的应用，基于二维光子晶体的全光二级管应用于光网络全光通信技术及其设备装置。
首先，调节微腔106的Fano峰的Q值。调节微腔106的尺寸和修饰介质柱107的尺寸及位置，将微腔106的Fano峰具有较高Q值和透射率，如附图3所示，其透射率达到90%，品质因子Q=ω0/Δω，ω0为峰值峰值频率，Δω为峰半高宽。附图3中微腔106的Fano峰的Q值经计算大约为739。
然后，调节FP腔104透射峰的频率。调节可调FP腔介质柱105的尺寸和位置，将FP腔104透射峰的频率低于并且靠近微腔106的Fano峰频率，由于两个腔的相互干涉，如附图2所示，透射谱上出现两个分离的透射峰。左边峰为FP腔104的透射峰，右边峰为微腔106的Fano峰，选择入射光的工作频率在两分离峰之间并靠近右边高Q值的窄峰位置。
最后，选定的入射光的工作光频率为0.5626ωa/2πc，其中ω为角频率，a为晶格常数，c为光速。分别将入射光分别从正向入射端口110和反向入射端口103入射。由于非线性材料折射率为：n(x,z)=n0+n2E2(x,z),其中n0是材料在无光强照射下的折射率，n2是材料的非线性系数,E2(x,z)是局域的电场强度，随着入射光的光强逐渐增强，微腔106在光Kerr效应下的折射率不断增加，微腔106的Fano峰往低频方向移动，当移动到和工作频率一致，器件由反射变成透射状态。由于结构的非对称性，正向和反向入射时光局域在微腔106中的强度不同，正向入射时的光局域在微腔106中的光强大大超过反向入射时局域在微腔106中的光强，反向入射的光需要更强的光强才能将微腔106的Fano峰移动到工作频率处。附图4显示了入射光工作频率为0.5626ωa/2πc时正向透射端口103和反向透射端口110随入射光强的变化曲线。在0.5-1.25 mW/μm之间正向导通反向截止，所需光强阈值为0.5mW/μm，其透射率可达到80%，当反向入射光的光强增强到1.25 mW/μm时，反向入射的光击穿全光二级管，从反向透射端口110透射。

Claims (9)

1.一种基于二维光子晶体的全光二级管的实现方法，其特征在于，利用FP腔与微腔的非对称耦合，两个腔相互干涉，透射谱上出现两个分离的透射峰，输入光正向入射时，局域在微腔中的光强大于反向入射时局域在微腔中的光强；选择输入光的工作频率为两分离峰之间并靠近微腔的Fano峰的位置，由于微腔的光Kerr效应，随着输入光的光强增加，正向入射时微腔的Fano峰先红移到工作频率，输入光正向导通，反向截止。
2.一种如权利要求1所述的基于二维光子晶体的全光二级管的结构，其特征在于，包括背景、构成光子晶体结构介质柱、反向入射端口/正向透射端口、反向透射端口/正向入射端口、晶格常数、波导、FP腔和微腔；所述FP腔包括可调FP腔介质柱、修饰介质柱和微腔对应介质柱。
3.根据权利要求2所述的基于二维光子晶体的全光二级管的结构，其特征在于，所述构成光子晶体结构介质柱、所述可调FP腔介质柱、所述微腔、所述微腔对应介质柱和所述修饰介质柱的材料均为GaAs。
4.根据权利要求2所述的基于二维光子晶体的全光二级管的结构，其特征在于，所述背景的材料为空气。
5.根据权利要求2所述的基于二维光子晶体的全光二级管的结构，其特征在于，所述构成光子晶体结构介质柱为圆形，其周期排列为六角格子或正方格子。
6.根据权利要求2或5所述的基于二维光子晶体的全光二级管的结构，其特征在于，所述构成光子晶体结构介质柱之间距离为晶格常数，晶格常数用于调节光子晶体能带范围。
7.根据权利要求2所述的基于二维光子晶体的全光二级管，其特征在于，所述可调FP腔介质柱的尺寸和位置，用于调节FP腔的峰值频率。
8.根据权利要求2所述的基于二维光子晶体的全光二级管，其特征在于，所述微腔的尺寸和所述修饰介质柱的尺寸及位置，用于调节微腔的Fano峰的Q值和透射率。
9.一种如权利要求2所述的基于二维光子晶体的全光二级管的应用，其特征在于，基于二维光子晶体的全光二级管应用于光网络全光通信技术及其设备装置。
CN201410759307.XA 2014-12-12 2014-12-12 一种基于二维光子晶体的全光二极管的实现方法 Active CN104460174B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410759307.XA CN104460174B (zh) 2014-12-12 2014-12-12 一种基于二维光子晶体的全光二极管的实现方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410759307.XA CN104460174B (zh) 2014-12-12 2014-12-12 一种基于二维光子晶体的全光二极管的实现方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104460174A true CN104460174A (zh) 2015-03-25
CN104460174B CN104460174B (zh) 2017-04-05

Family

ID=52906461

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410759307.XA Active CN104460174B (zh) 2014-12-12 2014-12-12 一种基于二维光子晶体的全光二极管的实现方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104460174B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104932058A (zh) * 2015-07-15 2015-09-23 上海鸿辉光通科技股份有限公司 一种光隔离器
CN105022116A (zh) * 2015-07-24 2015-11-04 南昌航空大学 光子晶体波导侧边双腔全光二极管结构
CN105720475A (zh) * 2016-03-23 2016-06-29 华南理工大学 一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输方法及装置
CN106405977A (zh) * 2016-10-31 2017-02-15 南昌航空大学 一种全光二极管的实现方法
RU178617U1 (ru) * 2017-11-01 2018-04-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) Полностью оптический диод
CN109491012A (zh) * 2018-12-05 2019-03-19 南京邮电大学 基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5999308A (en) * 1998-04-01 1999-12-07 Massachusetts Institute Of Technology Methods and systems for introducing electromagnetic radiation into photonic crystals
EP1426792A2 (en) * 2002-12-02 2004-06-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Photonic crystal-based resonant cavity and resonator
CN101692148A (zh) * 2009-09-29 2010-04-07 北京大学 一种全光二极管超透射器件及其制作方法
CN101840025A (zh) * 2010-05-05 2010-09-22 北京大学 一种线性光子晶体器件

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5999308A (en) * 1998-04-01 1999-12-07 Massachusetts Institute Of Technology Methods and systems for introducing electromagnetic radiation into photonic crystals
EP1426792A2 (en) * 2002-12-02 2004-06-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Photonic crystal-based resonant cavity and resonator
CN101692148A (zh) * 2009-09-29 2010-04-07 北京大学 一种全光二极管超透射器件及其制作方法
CN101840025A (zh) * 2010-05-05 2010-09-22 北京大学 一种线性光子晶体器件

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CUICUI LU等: "Ultralow power all-optical diode in photonic crystal heterostructures with broken spatial inversion symmetry", 《APPLIED PHYSICS LETTERS》 *
YONG ZHANG等: "Silicon optical diode based on cascaded photonic crystal cavities", 《OPTICS LETTERS》 *
陈宪锋等: "基于Thue-Morse序列准周期光子晶体的全光二极管现象", 《激光与光电子学进展》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104932058A (zh) * 2015-07-15 2015-09-23 上海鸿辉光通科技股份有限公司 一种光隔离器
CN104932058B (zh) * 2015-07-15 2018-07-10 上海鸿辉光通科技股份有限公司 一种光隔离器
CN105022116A (zh) * 2015-07-24 2015-11-04 南昌航空大学 光子晶体波导侧边双腔全光二极管结构
CN105022116B (zh) * 2015-07-24 2017-10-03 南昌航空大学 光子晶体波导侧边双腔全光二极管结构
CN105720475A (zh) * 2016-03-23 2016-06-29 华南理工大学 一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输方法及装置
CN105720475B (zh) * 2016-03-23 2018-10-09 华南理工大学 一种基于光子晶体的全光二极管单向光传输方法及装置
CN106405977A (zh) * 2016-10-31 2017-02-15 南昌航空大学 一种全光二极管的实现方法
CN106405977B (zh) * 2016-10-31 2018-12-04 南昌航空大学 一种全光二极管的实现方法
RU178617U1 (ru) * 2017-11-01 2018-04-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) Полностью оптический диод
CN109491012A (zh) * 2018-12-05 2019-03-19 南京邮电大学 基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器
CN109491012B (zh) * 2018-12-05 2020-05-22 南京邮电大学 基于光子晶体的可调谐光控太赫兹波分束器

Also Published As

Publication number Publication date
CN104460174B (zh) 2017-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104460174A (zh) 一种基于二维光子晶体的全光二级管的实现方法
CN105022116B (zh) 光子晶体波导侧边双腔全光二极管结构
Webster et al. An efficient MOS-capacitor based silicon modulator and CMOS drivers for optical transmitters
Watts et al. Ultralow power silicon microdisk modulators and switches
Seif-Dargahi Ultra-fast all-optical encoder using photonic crystal-based ring resonators
CN101848011B (zh) 双极性超宽带单周期脉冲的产生装置
CN105589195B (zh) 一种基于黑磷的全光调制器装置
Gupta et al. 50GHz Ge waveguide electro-absorption modulator integrated in a 220nm SOI photonics platform
CN103439807A (zh) 石墨烯的低折射率差波导调制器及制备方法
CN101465513B (zh) 一种调节光学双稳Tm，Ho:YLF激光器双稳区宽度的方法
CN101794053B (zh) 基于微环谐振器结构的全光逻辑异或非门结构
CN108051889B (zh) 一种混合等离子效应辅助的槽式波导te模检偏器
CN106405977A (zh) 一种全光二极管的实现方法
CN204129403U (zh) 基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门
CN106125452B (zh) 基于单层石墨烯的单一结构的双逻辑门光调制器件
Dali et al. Microring resonator based all optical NAND and NOT gate with higher output power
CN104678676B (zh) 一种基于微环谐振器的可逆光学逻辑器件
CN104865772A (zh) 一种基于微环谐振器的三值光学可逆逻辑器件
CN102540625A (zh) 一种基于多槽硅基纳米线波导的全光逻辑门器件
CN104360561B (zh) 基于垂直耦合微环激光器光学双稳态的全光异或逻辑门
CN103969913A (zh) 掺铒光纤耦合器交叉相位调制全光逻辑器
CN109375300A (zh) 一种表面等离子体激元全光二极管实现方法
CN204517131U (zh) 一种脉宽可调光纤激光器
CN103792755B (zh) 一种啁啾结构低阈值双稳态的全光开关设计方法
CN104503185A (zh) 一种基于微环谐振器的二进制光学减法器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant