CN108490536A - 一种多通道片上集成超快全光光强控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道片上集成超快全光光强控制器及其控制方法。本发明通过设计一系列亚波长的分支波导作为输出通道，并将其通过侧面耦合的方式耦合到主波导的不同位置处，在主波导中激发出的两束对向传播的波导模式相干叠加产生驻波光场，通过主波导中对向传播波导模式间的初相位差控制这些输出通道的输出光强，从而基于线性光学方法实现了一种纳米尺度的多通道全光光强控制器，原则上可以在任意低的光强下工作；并且全光光强控制器还具有飞秒级的超快响应；这种纳米尺度上的多通道全光光强控制器及其全光控制方法可能在纳米光子学领域中获得广泛应用。

Description

一种多通道片上集成超快全光光强控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及纳米光子学，具体涉及一种多通道片上集成超快全光光强控制器及其控制方法。

背景技术

在纳米尺度上用光控制光是光学中的一个基本问题，并且在实际中有很多应用，例如：纳米尺度的全光光强控制器是实现未来超高集成度的全光通讯、信息处理网络的关键器件之一。通常来说，有两种方式可以实现全光控制。一种是利用非线性光学效应：当一束强的泵浦光照射在非线性光学材料上时，材料的光学性质发生改变，从而可以改变另一束弱的探测光的性质。然而，受制于材料弱的非线性光学效应，这种方式需要极大的泵浦光功率才能在纳米尺度下有效工作，因此极大的增加了能耗并限制了其实际应用。与此相反，最近出现了另一种基于线性光学效应的全光控制方式，称为相干的光控光(coherentcontrol of light with light)，这种方式原则上可以在任意低的光强下工作。这种方式采用两束对向传播的相干光在三维自由空间中形成驻波光场，然后在驻波的波腹或者波节处放置一个亚波长厚度的薄吸收层，当其中一束传播光的相位发生变化时，驻波的波腹和波节位置相应变化，从而可以改变薄吸收层对于光场的吸收，进而改变透射光。这种效应可以用来实现光控制光，典型的应用包括全光开关、偏振控制等等。但是，这种方法中采用的三维体结构不适合于纳米尺度的片上集成，特别是难以实现多通道的片上集成光控光。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种多通道片上集成超快全光光强控制器及其控制方法；在一个片上集成的亚波长表面等离激元SPP波导系统中基于线性光学方法实现了一种纳米尺度的全光控制，不同于之前的自由空间驻波光场，这里的驻波光场是在一个波导之中形成的，称为主波导。

本发明的一个目的在于提出一种多通道片上集成超快全光光强控制器。

本发明的多通道片上集成超快全光光强控制器包括：主波导、多个输出通道、第一光束和第二光束；其中，多个亚波长的分支波导作为输出通道，通过侧面耦合的方式耦合在主波导的一侧或两侧的不同位置处；第一光束和第二光束为强度相等的相干光，从主波导的两个端口分别入射至主波导内，在主波导中激发出两束对向传播的波导模式，主波导中由于波导模式的相干叠加出现驻波光场，电场沿主波导为一个余弦型分布；亚波长的分支波导的宽度远小于主波导中波导模式的有效波长λ_eff，并通过主波导和分支波导间的距离g来控制主波导与分支波导之间的耦合效率，使得主波导中的驻波光场分布近似不受耦合的影响，耦合到分支波导中的光场与耦合位置处主波导中的光场成正比，从而通过耦合位置控制耦合到分支波导中的光强；当一个分支波导位于驻波的波节时，驻波的光强达到极小值，则耦合到分支波导中的光强也达到极小值；当一个分支波导位于驻波的波腹时，驻波的光强达到极大值，则耦合到分支波导中的光强也达到极大值；而当一个分支波导位于波节和波腹之间的位置时，驻波的光强在极小值和极大值之间，则耦合到分支波导中的光强也在极小值和极大值之间；两束对向传播的波导模式的初相位之差定义为其中和分别代表对向传播的波导模式的初相位，因此，通过控制动态地控制驻波波腹和波节在主波导中的位置，来动态地控制耦合到固定位置处的分支波导中的光强；这些分支波导作为全光光强控制器的输出通道，从而通过主波导中对向传播波导模式间的初相位差控制这些输出通道的输出光强：当分支波导所在位置的主波导中的驻波由波节逐渐变到波腹的过程中，全光光强控制器输出通道的输出光强由极小值逐渐变到极大值，输出光强随初相位差满足余弦型变化，从而同时控制多个输出通道。

假设主波导没有传播损耗，则主波导中的电场分布E(x,t)可以表示为

其中E₀、k、ω分别代表主波导中单个方向传播的波导模式的电场幅度、波矢、角频率。这一方程表明电场沿主波导为一个余弦型分布，光强每隔半个波导模式的有效波长λ_eff达到零(或者极大值)。这一周期为λ_eff/2的周期性光强分布为进行纳米尺度的片上集成超快全光控制提供了平台。当相同的宽度远小于λ_eff/2的亚波长分支波导通过侧面耦合的方式耦合到主波导时，主波导中波导模式的光场将部分耦合到分支波导中。所有分支波导完全相同。通过控制动态地控制驻波波腹和波节在主波导中的位置，来动态地控制耦合到固定位置处的分支波导中的光强。这些分支波导可以被视作全光光强控制器的输出通道，所以可以通过主波导中对向传播波导模式间的初相位差控制这些输出通道：当分支波导所在位置的主波导中的驻波由波节逐渐变到波腹的过程中，全光光强控制器输出通道的输出光强由极小值逐渐变到极大值，输出光强随初相位差满足余弦型变化。这一全光控制方法能够很方便的同时控制多个输出通道，因为驻波能够在主波导中形成多个波节和波腹。作为对比，之前的基于线性光学干涉效应所实现的片上集成波导系统中的全光控制方法并非基于驻波，因此只能控制一到两个输出通道。另外，由于分支波导的宽度很小(远小于λ_eff/2)，上述多通道全光控制方法可以在片上获得很高的集成度。

主波导采用传播损耗小的材料，使得波导模式的传播长度大于10倍各分支波导间的最大间距。亚波长的分支波导的宽度小于波导模式的有效波长λ_eff的十分之一。

通过主波导和分支波导间的距离g来控制主波导与分支波导之间的耦合效率，使得主波导中的驻波光场分布近似不受耦合的影响，是指耦合效率低于10％。距离g越大，耦合效率越小，耦合效率随距离g的增加指数衰减。耦合效率越小，主波导中的驻波光场分布受到耦合的影响也越小。

输出通道垂直于主波导的侧面。

第一光束和第二光束由一束激光分束产生。

本发明的另一个目的在于提供一种多通道片上集成超快全光光强控制器的控制方法。

本发明的多通道片上集成超快全光光强控制器的控制方法，包括以下步骤：

1)将多个亚波长的分支波导作为输出通道，通过侧面耦合的方式耦合在主波导的一侧或两侧的不同位置处；

2)将强度相等且相干的第一光束和第二光束分别从主波导的两个端口入射至主波导内，在主波导中激发出两束对向传播的波导模式，主波导中由于波导模式的相干叠加出现驻波光场，电场沿主波导为一个余弦型分布；

3)亚波长的分支波导的宽度远小于主波导中波导模式的有效波长λ_eff，并通过主波导和分支波导间的距离g来控制主波导与分支波导之间的耦合效率，使得主波导中的驻波光场分布近似不受耦合的影响，耦合到分支波导中的光场与耦合位置处主波导中的光场成正比，从而通过耦合位置控制耦合到分支波导中的光强；当一个分支波导位于驻波的波节时，驻波的光强达到极小值，则耦合到分支波导中的光强也达到极小值；当一个分支波导位于驻波的波腹时，驻波的光强达到极大值，则耦合到分支波导中的光强也达到极大值；而当一个分支波导位于波节和波腹之间的位置时，驻波的光强在极小值和极大值之间，则耦合到分支波导中的光强也在极小值和极大值之间；

4)两束对向传播的波导模式的初相位之差定义为因此，通过控制动态地控制驻波波腹和波节在主波导中的位置，来动态地控制耦合到固定位置处的分支波导中的光强；这些分支波导作为全光光强控制器的输出通道，从而通过主波导中对向传播波导模式间的初相位差控制这些输出通道的输出光强：当分支波导所在位置的主波导中的驻波由波节逐渐变到波腹的过程中，全光光强控制器输出通道的输出光强由极小值逐渐变到极大值，输出光强随初相位差满足余弦型变化；驻波在主波导中形成多个波节和波腹，从而同时控制多个输出通道。

本发明的优点：

本发明通过设计一系列亚波长的分支波导作为输出通道，并将其通过侧面耦合的方式耦合到主波导的不同位置处，在主波导中激发出的两束对向传播的波导模式相干叠加产生驻波光场，通过主波导中对向传播波导模式间的初相位差控制这些输出通道的输出光强，从而基于线性光学方法实现了一种纳米尺度的多通道全光光强控制器，原则上可以在任意低的光强下工作；并且全光光强控制器还具有飞秒级的超快响应；这种纳米尺度上的多通道全光光强控制器及其全光控制方法可能在纳米光子学领域中获得广泛应用。

附图说明

图1为本发明的多通道片上集成超快全光光强控制器的原理图；

图2为本发明的多通道片上集成超快全光光强控制器的一个实施例的电镜图，其中，(a)为总体电镜图，(b)为(a)中一部分的放大的电镜图；

图3为本发明的多通道片上集成超快全光光强控制器的四个实施例的示意图和实验结果图，其中，(a)、(d)、(g)和(j)分别为四个实施例的输出通道的位置示意图，(b)、(e)、(h)和(k)分别为(a)、(d)、(g)和(j)的散射信号强度，(c)、(f)、(i)和(l)分别为(a)、(d)、(g)和(j)的CCD图和电镜图；

图4为本发明的多通道片上集成超快全光光强控制器的一个实施例的响应时间测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的多通道片上集成超快全光光强控制器包括：主波导、多个输出通道、第一光束和第二光束；其中，多个亚波长的分支波导作为输出通道，通过侧面耦合的方式耦合在主波导的一侧或两侧的不同位置处；第一光束和第二光束为强度相等的相干光，从主波导的两个端口分别入射至主波导内，在主波导中激发出两束对向传播的波导模式，主波导中由于波导模式的相干叠加出现驻波光场，电场沿主波导为一个余弦型分布；亚波长的分支波导的宽度远小于主波导中波导模式的有效波长λ_eff，并通过主波导和分支波导间的距离g来控制主波导与分支波导之间的耦合效率，使得主波导中的驻波光场分布近似不受耦合的影响，耦合到分支波导中的光场与耦合位置处主波导中的光场近似成正比，从而通过耦合位置控制耦合到分支波导中的光强；当一个分支波导位于驻波的波节时，驻波的光强达到极小值，则耦合到分支波导中的光强也达到极小值；当一个分支波导位于驻波的波腹时，驻波的光强达到极大值，则耦合到分支波导中的光强也达到极大值；而当一个分支波导位于波节和波腹之间的某个位置时，驻波的光强在极小值和极大值之间，则耦合到分支波导中的光强也在极小值和极大值之间，具体强度取决于耦合位置到波节和波腹的距离；两束对向传播的波导模式的初相位之差定义为 和分别代表对向传播的波导模式的初相位，因此，通过控制动态地控制驻波波腹和波节在主波导中的位置，来动态地控制耦合到固定位置处的分支波导中的光强；这些分支波导作为全光光强控制器的输出通道，从而通过主波导中对向传播波导模式间的初相位差控制这些输出通道的输出光强：当分支波导所在位置的主波导中的驻波由波节逐渐变到波腹的过程中，全光光强控制器输出通道的输出光强由极小值逐渐变到极大值，输出光强随初相位差满足余弦型变化；驻波在主波导中形成多个波节和波腹，从而同时控制多个输出通道。

为了在实验上实现本发明的多通道全光光强控制器，分支波导的宽度必须远小于主波导中波导模式的有效波长。因此，本实施例选择SPP沟槽波导，因为这类波导可以提供亚波长的光场束缚。一个典型的样品结构如图2中的电镜图所示。这些样品是用聚焦离子束刻蚀方法在蒸镀在玻璃衬底上的厚度450纳米的金膜上所加工的。在电镜图的中间，是长度为30微米、宽度和深度约250纳米的主波导，数值模拟结果表明，主波导中只支持基模的SPP模式的传播。在主波导的两端，分别加工了长度300纳米、宽度100纳米的长方孔，这些长方孔穿透整个金膜，作为SPP的激发孔。两束激光经过50倍物镜由金膜下方的衬底一侧分别聚焦到主波导两端的激发孔上，并通过激发孔激发出主波导内对向传播的SPP模式，从而在主波导中相干叠加形成驻波光场。四个参数相同的分支波导宽度和深度分别为70纳米和250纳米，通过侧面耦合的方式与主波导耦合，放大的电镜图如图2(b)所示。主波导和分支波导间的距离设置为g＝30纳米。分支波导中也只支持基模的SPP模式传播。在每个分支波导的末端，通过逐渐减少聚焦离子束的刻蚀时间的方法加工了45度的反射面，这些45度反射面可以有效地将分支波导中的SPP散射为自由空间光，并进一步通过金膜上方空气一侧的一个100倍物镜进行收集并成像到一个电荷耦合器件CCD上。这样，CCD图测量到的45度反射面所散射的光强给出了相应的分支波导中的信号光强。每个分支波导由一个1微米长的垂直部分和接下来的倾斜部分组成，如图2(b)所示，这些倾斜的部分是为了用来增加相邻的45度反射面的距离，从而保证这些反射面可以在远场探测的CCD图中被有效分辨开。另外，样品上还加工了两个围绕主波导两端的SPP激发孔的大的布拉格光栅，这两个布拉格光栅是为了反射沿金膜上表面直接传播的SPP模式，这样实验中只有沿着SPP沟槽波导传播的SPP模式可以沿主波导传播并耦合到分支波导。实验中的光源是波长810纳米的钛宝石激光器，数值模拟的结果表明，这一激发波长下，主波导中的SPP模式的有效折射率为n_eff＝1.021，对应SPP模式的有效波长为λ_eff＝793纳米，主波导中的驻波的周期为λ_eff/2＝397纳米。分支波导的宽度为70纳米，满足远小于主波导中波导模式有效波长的条件，同时也保证了足够的信号强度以供CCD进行探测。激光通过分束器分为两束，分别用来激发主波导的两端，其中一束激光经过光学延迟线，因此，两束激发光之间的初相位差，也就是可以通过扫描光学延迟线来连续改变。

最简单的多个输出通道的情况是相邻输出通道间的距离等于λ_eff/2的整数倍。此时，所有的输出通道同步的处在驻波的波节或者波腹，从而输出信号同时达到极小值或者极大值。这意味着，当主波导中两束对向传播的SPP波导模式的初相位差改变时，耦合到各个输出通道中的信号光强将同时达到极小值或者极大值，因此，将这类样品称为同步样品。图3(a)具体示意了实验中所用的同步样品的输出通道的具体位置，这一配置对于具有四个输出通道的全光光强控制器来说是最为紧凑的：第一和第二输出通道1和2分别位于主波导的上方；第三和第四输出通道3和4位于主波导的下方，相邻输出通道的距离设定为400纳米，近似等于λ_eff/2。图3(b)给出了实验中测到的不同输出通道的散射信号强度，可以看到，四个输出通道中的信号随着初相位差的变化呈现余弦型变化，并且四个通道中的信号同步改变。在对应于图3(b)中两个虚线的两个特殊状态下采集的CCD图在图3(c)中给出，可以看到四个输出通道的输出端的信号强度近似同时达到极大值或者极小值，说明这些输出通道同时位于驻波的波腹或者波节位置。图3(c)的背景给出了相应的样品的电镜图作为参考。这些实验结果很好的验证了之前的理论分析。四个输出通道的信号强度的极大值和极小值之比全部超过了31:1，是一个相对较高的光强比。

如果不同的输出通道被合理地设计为耦合至主波导上的不同位置，那么不同的输出通道可以表现出不同的光强变化性质。图3(d)示意了另一个具有四个输出通道的全光光强控制器的实施例：相邻输出通道间的距离改为600纳米，近似等于3λ_eff/4。此时，当第二和第四输出通道2和4位于驻波的波节或者波腹时，第一和第三输出通道1和3正好相反——二者位于驻波的波腹或者波节。图3(e)给出了实验中测到的这一样品的不同输出通道的散射信号强度，可以看到，四个输出通道中的信号随着初相位差的变化仍呈现余弦型变化，但不再同步：当第二和第四输出通道2和4中的信号强度达到极小值或者极大值时，第一和第三输出通道1和3中的信号强度分别达到极大值或者极小值，也就是与2和4正相反，与之前分析预测一致。典型状态下采集的CCD图在图3(f)中给出，可以清楚地看到左侧的两个输出通道和右侧的两个输出通道彼此交替地处于极大值和极小值的状态，因此，将这一样品称为左右样品。类似的，另外两种具有四个输出通道的全光光强控制器的实施例分别在图3(g)和图3(j)中示意给出，这两种样品分别称为上下样品和交叉样品。在上下样品的设计中，上方的两个输出通道和下方的两个输出通道将彼此交替地处于极大值和极小值的状态。而在交叉样品的设计中，相对的两组输出通道将彼此交替地处于极大值和极小值的状态。上下样品的实验结果在图3(h)和图3(i)中给出，交叉样品的实验结果在图3(k)和图3(l)中给出，这些实验结果都与理论预期一致。这里可以看到，不同的输出通道可以对两个对向传播的波导模式的初相位差有不同方式的响应，因此，本发明提出的全光控制方法可以对多个输出通道以不同的方式进行同时的全光控制，这一点对于高集成度的光通讯和信息处理网络非常有用。本实施例只展示了四个输出通道的实验，原则上更多的输出通道也是可行的。

最后，估计一下所提出的全光控制机制的响应速度。此时，将钛宝石激光器由连续模式切换到脉冲模式，相应的脉冲宽度大约为120飞秒。图4显示了测量到的之前的同步样品的信号强度的对比度随两个激发脉冲间的延迟时间的变化。可以看到，当两个激发脉冲在时间上完全重合，也就是延迟时间等于零时，对比度达到最大值，此时，全光光强控制器是最为有效的，相应的光强比达到最高。与此相反，当延迟时间超过600飞秒时，对比度基本接近于零，此时，两个激发脉冲在时间上基本不重合，全光光强控制器也不再工作。这一现象说明，本发明提出的全光控制机制的响应速度是超快的。对对比度进行高斯拟合得到的半宽为175飞秒，这一数值可以作为响应速度上限的估计值。而这种超快的响应主要是因为本发明的全光控制机制是基于线性光学的，因此，响应速度不受材料自身响应速度的限制。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种多通道片上集成超快全光光强控制器，其特征在于，所述全光光强控制器包括：主波导、多个输出通道、第一光束和第二光束；其中，多个亚波长的分支波导作为输出通道，通过侧面耦合的方式耦合在主波导的一侧或两侧的不同位置处；第一光束和第二光束为强度相等的相干光，从主波导的两个端口分别入射至主波导内，在主波导中激发出两束对向传播的波导模式，主波导中由于波导模式的相干叠加出现驻波光场，电场沿主波导为一个余弦型分布；亚波长的分支波导的宽度远小于主波导中波导模式的有效波长λ_eff，并通过主波导和分支波导间的距离g来控制主波导与分支波导之间的耦合效率，使得主波导中的驻波光场分布近似不受耦合的影响，耦合到分支波导中的光场与耦合位置处主波导中的光场成正比，从而通过耦合位置控制耦合到分支波导中的光强；当一个分支波导位于驻波的波节时，驻波的光强达到极小值，则耦合到分支波导中的光强也达到极小值；当一个分支波导位于驻波的波腹时，驻波的光强达到极大值，则耦合到分支波导中的光强也达到极大值；而当一个分支波导位于波节和波腹之间的位置时，驻波的光强在极小值和极大值之间，则耦合到分支波导中的光强也在极小值和极大值之间；两束对向传播的波导模式的初相位之差定义为其中和分别代表对向传播的波导模式的初相位，因此，通过控制动态地控制驻波波腹和波节在主波导中的位置，来动态地控制耦合到固定位置处的分支波导中的光强；这些分支波导作为全光光强控制器的输出通道，从而通过主波导中对向传播波导模式间的初相位差控制这些输出通道的输出光强：当分支波导所在位置的主波导中的驻波由波节逐渐变到波腹的过程中，全光光强控制器输出通道的输出光强由极小值逐渐变到极大值，输出光强随初相位差满足余弦型变化，从而同时控制多个输出通道。

2.如权利要求1所述的全光光强控制器，其特征在于，所述主波导采用传播损耗小的材料，使得波导模式的传播长度大于10倍各分支波导间的最大间距。

3.如权利要求1所述的全光光强控制器，其特征在于，所述亚波长的分支波导的宽度小于波导模式的有效波长λ_eff的十分之一。

4.如权利要求1所述的全光光强控制器，其特征在于，所述输出通道垂直于主波导的侧面。

5.如权利要求1所述的全光光强控制器，其特征在于，所述第一光束和第二光束由一束激光分束产生。

6.一种如权利要求1所述的多通道片上集成超快全光光强控制器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)将多个亚波长的分支波导作为输出通道，通过侧面耦合的方式耦合在主波导的一侧或两侧的不同位置处；

2)将强度相等且相干的第一光束和第二光束分别从主波导的两个端口入射至主波导内，在主波导中激发出两束对向传播的波导模式，主波导中由于波导模式的相干叠加出现驻波光场，电场沿主波导为一个余弦型分布；

3)亚波长的分支波导的宽度远小于主波导中波导模式的有效波长λ_eff，并通过主波导和分支波导间的距离g来控制主波导与分支波导之间的耦合效率，使得主波导中的驻波光场分布近似不受耦合的影响，耦合到分支波导中的光场与耦合位置处主波导中的光场成正比，从而通过耦合位置控制耦合到分支波导中的光强；当一个分支波导位于驻波的波节时，驻波的光强达到极小值，则耦合到分支波导中的光强也达到极小值；当一个分支波导位于驻波的波腹时，驻波的光强达到极大值，则耦合到分支波导中的光强也达到极大值；而当一个分支波导位于波节和波腹之间的位置时，驻波的光强在极小值和极大值之间，则耦合到分支波导中的光强也在极小值和极大值之间；

4)两束对向传播的波导模式的初相位之差定义为因此，通过控制动态地控制驻波波腹和波节在主波导中的位置，来动态地控制耦合到固定位置处的分支波导中的光强；这些分支波导作为全光光强控制器的输出通道，从而通过主波导中对向传播波导模式间的初相位差控制这些输出通道的输出光强：当分支波导所在位置的主波导中的驻波由波节逐渐变到波腹的过程中，全光光强控制器输出通道的输出光强由极小值逐渐变到极大值，输出光强随初相位差满足余弦型变化；驻波在主波导中形成多个波节和波腹，从而同时控制多个输出通道。