CN106405977B - 一种全光二极管的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光二极管实现方法，在二维光子晶体波导中，旁侧设计一个微腔；在微腔附近的光子晶体波导中增加一个介质柱原胞作为反射层，并且所述反射层的位置向波导正对微腔位置偏离一个晶格常数，当入射光强一直增大时，正向入射的光先达到激发微腔材料的非线性Kerr效应的功率阈值，而反方向入射在此光强下还处于截止状态，从而实现全光二极管功能正向导通、反向截止的功能。本发明通过可调节晶格常数来调节工作波段，便于集成于全光网络中，因此具有较大的应用价值。具有皮秒量级的响应时间，且光子晶体具有可根据调节自身的晶格常数来调节禁带范围的特点。

Description

一种全光二极管的实现方法
技术领域
本发明涉及利用非线性光子晶体实现全光二级管的方法，尤其涉及利用二维光子晶体波导与微腔的非对称耦合结构来实现全光二级管的方法。
背景技术
在信息量日益膨胀的今天，传统信息网络已不能满足人们的需求，新型材料光子晶体的出现已成为必然，全光网络的出现，解决了传统网络中的瓶颈问题，为未来网络的发展提供了更大的空间
全光二级管作为未来全光信号处理的关键部件之一，必须不断的研究其实现方法，加以改进和完善使其能够更方便，更高效的实现正向导通，反向截至的功能。本发明所设计的双腔全光二级管不需要外界能量激励泵浦，完全是全光控制行为，除了具有单向导通效率高，阈值功率小，工作波段可调等有点外结构设计简单，给工艺制造带来了很大的便捷。
中国专利公开了“一种基于二维光子晶体的全光二级管的实现方法”（公开号：CN104460174A），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。但是还存在以下不足：该结构采用光子晶体波导FP腔与波导旁侧非线性微腔的非对称结构设计，在光子晶体波导结构中要同时实现FP腔和微腔结构，对于器件的制备工艺要求比较高。所以采用更加简单的结构设计实现全光二极管显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提出一种全光二级管的实现方法，使全光二极管的设计具有优异的工作性能，期间所需光功率很小，具有皮秒量级的响应时间，且光子晶体具有可根据调节自身的晶格常数来调节禁带范围。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：一种全光二极管实现方法，其特征在于，在二维光子晶体波导中，旁侧设计一个微腔；在微腔附近的光子晶体波导中增加一个介质柱原胞作为反射层，并且所述反射层的位置向波导正对微腔位置偏离一个晶格常数，打破光子晶体波导与微腔耦合的空间对称性，使得反射层两侧的光子晶体波导与微腔的耦合系数不同；入射光工作波长选择在非常接近Fano峰的反射区域内；当入射光强一直增大时，正向入射的光先达到激发微腔材料的非线性Kerr效应的功率阈值，从而改变微腔介质的折射率，使得正向入射由反射状态变成透射状态，而反方向入射在此光强下还处于截止状态，从而实现全光二极管功能正向导通、反向截止的功能。
本发明通过可调节晶格常数来调节工作波段，不需要外界泵浦激励，为光无源器件，便于集成于全光网络中，因此具有较大的应用价值。在正向导通率最大透射率可达0.9，反向截止导通率几乎不到0.2；期间所需光功率很小，阈值功率密度为12mw/um，该器件具有皮秒量级的响应时间，且光子晶体具有可根据调节自身的晶格常数来调节禁带范围的特点。
附图说明
图1为本发明的设计结构示意图。
图2为不考虑Fano腔为非线性介质时TM波透射谱。
图3 为P=15mw/μm正向入射时，光场图。
图4 为P=15mw/μm反向入射时，光场图。
图5为P=15mw/μm正向入射时，透射率随着时间的变化关系图。
图6为P=15mw/μm反向入射时，透射率随时间的变化关系图。
图7为全光二极管正向和反向透射率随入射光功率密度的变化关系图。
图中：01.背景材料，02.构成光子晶体结构介质柱，03.第一波导端口，04.第二波导端口，05.波导，06.反射层介质柱，07.微腔。
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。一种全光二极管实现方法，包括背景材料01、构成光子晶体结构介质柱02、反向透射端口/正向入射端口03、反向入射端口/正向透射端口04、波导05、 反射层介质柱06和微腔07。构成光子晶体结构介质柱02、微腔07、反射层介质柱06的材料为GaAs。背景材料01为空气。构成光子晶体结构介质柱02为圆形介质柱，其周期排列为正方格子排列。构成光子晶体结构介质柱02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，且晶格常数a的范围在300-1000nm之间。微腔07的尺寸用于调节微腔的Fano峰的Q值和透射率。
实施例：以下介绍本发明的一个较佳实施案例：
图1是基于光子晶体波导全光二极管结构示意图。在线缺陷波导结构下方微腔（Fano）07引入椭圆介质柱替换其中的原本的圆形介质柱结构，又在高Q值非线性微腔的附近的光子晶体波导中增加一个反射层介质柱06，并且使得Fano微腔07对应共振峰由反射型变成透射型，形成一个透射型的Fano共振腔。并且这个反射层的位置向左稍微偏离微腔的正上方一个晶格位置，从而打破Fano腔的镜像对称性，使得Fano微腔07与光子晶体波导05两侧的实现非对称耦合，从而更好地实现了全光二极管单向导通、反向截止的功能。
图2为不考虑Fano腔为非线性介质时TM波透射谱，在归一化频率0.4458处得到一个非常尖锐的Fano透射峰。选择靠近Fano透射峰位置λ0=0.4444作为归一化工作频率。归一化频率的单位为a/λ，本发明的结构的工作频率可以通过晶格常数a调节。这是光子晶体器件的重要特点，所以这个基于光子晶体波导的全光二极管实现方法可以在适用于多个工作波段。
在Fano微腔07中引入材料的Kerr非线性效应，当归一化工作频率为λ0=0.4444和入射光功率密度为P=15mw/μm时，分别将该频率的光从正反两个方向入射。正向入射定义为从第一波导端口03入射，从第二波导端口04出射；反向入射定义为从第二波导端口04入射，从第一波导端口03出射。附图3为正向入射时的光场图，可看到在入射的光功率足够强的时候，可以有效的激发微腔材料的非线性Kerr效应，正向透射率达到90%。附图4为工作频率相同的λ0=0.4444和功率密度P=15mw/μm反向入射时，由于结构的非对称设计，入射功率强度不够激发微腔的Kerr非线性效应，所以反向入射一直处于截止状态，透射率不到10%。所以，图3和图4说明入射光归一化工作频率λ0=0.4444和功率密度P=15mw/μm时，可以实现全光二极管正向导通，反向截止的功能。附图5 是正向入射透射率随时间的变化关系，可以看到在6ps时间内就达到了稳定的正向导通状态；附图6是反向透射时透射率随时间的变化关系，可以看到在6ps时间内就达到了稳定的反向截止状态。图5和图6结果说明该全光二极管设计方案具有皮秒量级的响应时间。
附图7表示正向/反向透射率随入射光功率密度的变化关系，可以看到当正入射的光功率密度达到P=12 mw/μm时，正向入射的透射率由反射状态突然变化为透射状态透射率突然增大到超过0.8，最好的情况透射率可到达0.9以上。而此时的反向透射率不超过0.2。当反向入射的光功率密度增大到P=20 mw/μm 时，反向入射才由反射状态变为透射状态，透射率突然增大。所以，在入射光的功率密度12mw/μm ≤ P ≤ 20mw/μm时，该结构的正反透射率随着入射光强的变化体现了全光二级管的工作效果，正向导通、反向截止，并且达到的90％的最大透射率。

Claims (1)

1.一种全光二极管实现方法，其特征在于，在二维光子晶体波导中，在波导的旁侧设计一个微腔；在微腔附近的光子晶体波导中增加一个介质柱原胞作为反射层介质柱，并且该反射层介质柱位于波导中，且偏离微腔左侧一个晶格常数，打破光子晶体波导与微腔耦合的空间对称性，使得反射层两侧的光子晶体波导与微腔的耦合系数不同；入射光工作波长选择在非常接近Fano峰的反射区域内；当入射光强一直增大时，正向入射的光先达到激发微腔材料的非线性Kerr效应的功率阈值，从而改变微腔介质的折射率，使得正向入射由反射状态变成透射状态，而反方向入射在此光强下还处于截止状态，从而实现全光二极管正向导通、反向截止的功能。
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