CN110031937A - 基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，包括光子晶体、线缺陷、输入端口和输出端口；光子晶体为沿光子晶体中心顺时针旋转45°的二维六角晶格的光子晶体；线缺陷在光子晶体中由引入的空气孔构成、与X轴成135°；输入端口包括第一输入端口和第二输入端口，分别用于输入信号光和控制光；信号光和所述控制光之间有相位差；两个输出端口均用于信号光的输出。该光子晶体在特定入射光频率范围内具有偏振无关的自准直效应；通过调整信号光和控制光之间的相位差，使两束光之间发生相长干涉或相消干涉，从而实现信号光从不同的输出端口输出。本发明具有偏振无关、速度快以及能在一定入射光频率范围内实现开关功能的优点。

Description

基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关

技术领域

本发明属于光学器件领域，具体涉及一种基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关。

背景技术

光开关是一种具有一个或多个可选传输端口的光路转换核心器件，广泛地应用于光通信领域。就目前的光开关研究现状而言，光开关主要可分为传统机械光开关、微电子机械光开关和非机械式光开关。传统的机械开关是一种常用的光学器件，其插入损耗低，串扰小，重复性好，但体积大，开关响应时间时间较长，不适用于大规模的光开关矩阵；在机械式光开关的技术上发展而来的微电子机械系统光开关，具有插入损耗低、串扰低、偏振依赖性低、体积小等优点，但由于该类光开关是通过镜面的机械转动来改变光路的传输方向，所以任何机械摩擦、磨损以及振动都可能使它的可靠性降低；非机械式光开关是利用一些材料具有电光、声光、磁光和热光效应，采用波导结构做成，比机械式光开关具有较高的开关速率，不足之处是插入损耗大，隔离度低。

自光子晶体的概念提出至今，凭借其优良特性及制作工艺而引起广泛关注。近年来，基于光子晶体的光开关以其体积小、损耗低、性能稳定等优点吸引了大量的研究。基于光子晶体的光开关大多集中在非线性光子晶体光开关、光子晶体定向耦合光开关以及光子晶体自准直光开关。非线性光子晶体光开关具有阈值低和消光比大等优点，但需要使用高功率的控制光，且工作频率范围较窄；光子晶体定向耦合光开关能量转移效率高，而且制备灵活度大，但受到传统波导中物理边界的限制；基于光子晶体自准直光开关由于无需引入额外波导，所以一般结构简单，易于集成。在现阶段研究的基于光子晶体的光开关大多数都是偏振依赖型光开关，难以满足实际要求。

发明内容

本发明提供了一种基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，解决了基于光子晶体的光开关偏振依赖，难以满足实际要求的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，其特征在于，包括光子晶体、线缺陷、输入端口和以及输出端口；所述光子晶体为沿光子晶体中心顺时针旋转45°的二维六角晶格的光子晶体；所述线缺陷是由在所述光子晶体中沿与X轴成135°的方向引入的空气孔构成，X轴与所述光子晶体的一条边平行；所述引入的空气孔的半径大于或小于所述光子晶体的空气孔的半径；所述输入端口包括第一输入端口和第二输入端口，用于输入入射光；所述入射光包括信号光和控制光，所述第一输入端口和所述第二输入端口分别用于输入信号光和控制光；所述信号光和所述控制光之间有相位差；所述输出端口包括第一输出端口和第二输出端口，第一输出端口和第二输出端口均用于所述信号光的输出。

进一步地，所述入射光的归一化频率范围为0.16～0.1874a/λ，其中a为相邻的两个空气孔中心的距离，λ为入射光的波长。起到了使TE和TM偏振光在该光子晶体中均可无发散地准直传输的作用。

进一步地，所述光子晶体以硅为背景材料。

进一步地，所述信号光和所述控制光之间的相位差为2kπ+π/2或2kπ-π/2，k为整数。

进一步地，所述入射光通过所述线缺陷传播时，发生反射和透射，形成反射光和透射光。

进一步地，所述反射光和所述透射光之间的相位差为π/2。

进一步地，所述输入端口和所述输出端口分别设于所述光子晶体四边的中间位置。

进一步地，所述输入端口与所述输出端口面对面设置。起到了接收到全部的输出光强的作用。

本发明所达到的有益效果：沿光子晶体中心顺时针旋转45°的二维六角晶格的光子晶体在特定入射光频率范围内具有偏振无关的自准直效应；在该光子晶体中引入线缺陷、在两个输入端口中分别输入信号光和控制光，通过调整信号光和控制光之间的相位差，使两束光之间发生相长干涉或相消干涉，从而实现信号光从不同的输出端口输出。本发明具有偏振无关、响应时间短以及能在一定的入射光频率范围内实现开关功能的优点。

附图说明

图1为完整光子晶体结构下的TE、TM模式的能带图；

图2为完整光子晶体结构下的TE模式等频图；

图3为完整光子晶体结构下的TM模式等频图；

图4为本发明偏振无关选路开关结构示意图；

图5为实例一对应的TE模式时域稳态响应图；

图6为实例一对应的TE模式稳态场强分布图；

图7为实例一对应的TM模式时域稳态响应图；

图8为实例一对应的TM模式稳态场强分布图；

图9为实例二对应的TE模式时域稳态响应图；

图10为实例二对应的TE模式稳态场强分布图；

图11为实例二对应的TM模式时域稳态响应图；

图12为实例二对应的TM模式稳态场强分布图；

图13为实例三对应的TE模式下两输出端透射率随信号光和控制光频率变化曲线图；

图14为实例三对应的TM模式下两输出端透射率随信号光和控制光频率变化曲线图；

图15为实例四对应的TE模式下两输出端透射率随信号光和控制光频率变化曲线图；

图16为实例四对应的TM模式下两输出端透射率随信号光和控制光频率变化曲线图；

图17为实例三、四对应的TE模式下消光比随信号光和控制光频率变化曲线图；

图18为实例三、四对应的TM模式下消光比随信号光和控制光频率变化曲线图；

图19为实例三、四对应的TE模式下响应时间随信号光和控制光频率变化曲线图；

图20为实例三、四对应的TM模式下响应时间随信号光和控制光频率变化图。

图中：1-光子晶体；2-线缺陷；3-第一输入端口；4-第二输入端口；5-第一输出端口；6-第二输出端口。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种完整的二维六角晶格光子晶体的能带图，当入射光的归一化频率范围在0～0.6a/λ内，其中a为晶格常数，晶格常数表示相邻的两个空气孔中心的距离，λ为入射光的波长，TE和TM模均处于导带，都是导通的。图2和图3分别给出了TE和TM模式第一频带的等频图，从图中可以看出，在归一化频率为0.16～0.1878a/λ时，TE偏振光可以在该光子晶体中沿ΓM方向无发散地准直传输；在归一化频率为0.1574～0.1874a/λ时，TM偏振光可以在该光子晶体中沿ΓM方向无发散地准直传输。因此，当入射光归一化频率为0.16～0.1874a/λ时，该光子晶体可作为无通道的虚拟波导，两种偏振模式下的偏振光在该光子晶体中可以无发散地准直传输。

此基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关工作原理如下：

在完整的二维六角晶格自准直光子晶体中，输入频率为0.16～0.1874a/λ的光，TE和TM偏振光可以在该自准直光子晶体中无发散地准直传输。如图4所示，光子晶体1为沿光子晶体中心顺时针旋转45°的二维六角晶格的光子晶体，在完整的自准直光子晶体中引入一条与X轴方向成135°的线缺陷2，X轴与光子晶体1的一条边平行。线缺陷2的空气孔的半径不同于光子晶体1的空气孔半径。输入端口用于输入入射光，入射光包括信号光和控制光。输入端口包括第一输入端口3和第二输入端口4，分别用于输入信号光和控制光。信号光和所述控制光之间有相位差。输出端口包括第一输出端口5和第二输出端口6，均用于信号光的输出。输入端口和所述输出端口分别设于光子晶体1四边的中间位置，输入端口与输出端口面对面设置。

入射光通过线缺陷2传播时，会发生反射和透射，反射光和透射光之间存在π/2的相位差。如果线缺陷2的空气孔半径比光子晶体的空气孔半径小，反射光与透射光之间会产生π/2的相位滞后；相反，如果该线缺陷2的空气孔半径比光子晶体的空气孔半径大，反射光与透射光之间会产生-π/2的相位滞后。在两个输入端口中分别输入信号光和控制光，当设置信号光和控制光的相位差为2kπ+π/2(k＝0,±1,±2…)时，k为整数，信号光的反射光和控制光的透射光在线缺陷处发生干涉相长，大部分光从第一输出端口5输出；而信号光的透射光和控制光的反射光在线缺陷处发生干涉相消，只有少量光从第二输出端口6输出。当设置信号光和控制光的相位差为2kπ-π/2(k＝0,±1,±2…)时，k为整数，信号光的透射光和控制光的反射光在线缺陷处发生干涉相长，大部分光从第二输出端口6输出；而信号光的反射光和控制光的透射光在线缺陷处发生干涉相消，只有少量光从第一输出端口5输出。

实例一：

本实例中，信号光和控制光的频率均为0.171a/λ，相位差为2kπ+π/2(k＝0,±1,±2…)，信号光的反射光和控制光的透射光在线缺陷处发生干涉相长，大部分光从第一输出端口5输出，而信号光的透射光和控制光的反射光在线缺陷处发生干涉相消，只有少量光从第二输出端口6输出。图5和图6分别为选择第一输出端口5时的TE、TM模式稳态场强分布；图7和图8分别为选择第一输出端口5时的TE、TM模式时域稳态响应。从图5中可以看出，TE模式下的信号光从第一输出端口5输出，由图7可得其透过率为142.66％，第二输出端口6只有少量光输出；从图6中可以看出，TM模式下的信号光从第一输出端口5输出，由图8可得其透过率为157.12％，第二输出端口6只有少量光输出。故输出5打开，通道6关闭。选择输出通道5作为开关时，TE模式下的消光比为8.09dB，开关稳定时间为0.7ps；TM模式下的消光比为11.527dB，开关稳定时间为0.8ps。

实例二：

本实例中，信号光和控制光的频率为0.171a/λ，相位差为2kπ-π/2(k＝0,±1,±2…)，信号光的透射光和控制光的反射光在线缺陷处发生干涉相长，大部分光从第二输出端口6输出，而信号光的反射光和控制光的透射光在线缺陷处发生干涉相消，只有少量光从第一输出端口5输出。图9和图10分别为选择第二输出端口6时的TE、TM模式稳态场强分布；图11和图12分别为选择第二输出端口6时的TE、TM模式时域稳态响应。从图9中可以看出，TE模式的信号光从第二输出端口6输出，由图11可得其透过率为142.66％，第一输出端口5只有少量光输出；从图10中可以看出，TM模式下的信号光从第二输出端口6输出，由图12可得其透过率为157.12％，输出通道5只有少量光输出。故第二输出端口6打开，其他通道关闭。选择第二输出端口6作为开关时，TE模式下的消光比为8.09dB，开关稳定时间为0.7ps；TM模式下的消光比为11.527dB，开关稳定时间为0.8ps。

实例三：

本实例中，设置信号光和控制光的频率为0.16～0.181a/λ，相位差为2kπ+π/2(k＝0,±1,±2…)，信号光从第一输出端口5输出。图13和图14所示，分别为选择第一输出端口5时的TE、TM模式下两输出端透射率随信号光和控制光频率变化曲线；图17和图18所示，分别为选择第一输出端口5时的TE、TM模式下消光比随信号光和控制光频率变化曲线；图19和图20所示，分别为选择第一输出端口5时的TE、TM模式下响应时间随信号光和控制光频率变化曲线。当信号光和控制光的频率在0.16～0.181a/λ范围内，从图15中可以看出，第一输出端口5中TE模式下的信号光透射率为109.9％～154.4％，由图17和图19可知，在该频率变化范围内消光比达到7.2dB至10.2dB，响应时间达到0.68至0.77ps；从图16中可以看出，第一输出端口5中TM模式下的信号光透射率为145.5％～158.6％，由图18和图20可知，在该频率变化范围内消光比可达9.4至13.0dB，响应时间可达0.78至0.87ps。

实例四：

本实例中，设置信号光和控制光的频率为0.16～0.181a/λ，相位差为2kπ-π/2(k＝0,±1,±2…)，信号光从第二输出端口6输出。图15和图16所示，分别为选择第二输出端口6时的TE、TM模式下两输出端透射率随信号光和控制光频率变化曲线；图17和图18所示，分别为选择第二输出端口6时的TE、TM模式下消光比随信号光和控制光频率变化曲线；图19和图20所示，分别为选择第二输出端口6时的TE、TM模式下响应时间随信号光和控制光频率变化曲线。当信号光和控制光的频率在0.16～0.181a/λ范围内，从图15中可以看出，第二输出端口6中TE模式的信号光透射率为109.9％～154.4％，由图17和图19可知，在该频率变化范围内消光比达到7.2dB至10.2dB，响应时间达到0.68至0.77ps；从图16中可以看出，输出通道6中TM模式的信号光透射率为145.5％～158.6％，由图18和图20可知，在该频率变化范围内消光比可达9.4至13.0dB，响应时间可达0.78至0.87ps。

本发明提供的一种基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，解决了现有的光子晶体光开关偏振依赖的问题，具有响应时间较短以及能在一定频率范围内实现开关功能的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，其特征在于，包括光子晶体、线缺陷、输入端口和以及输出端口；

所述光子晶体为沿光子晶体中心顺时针旋转45°的二维六角晶格的光子晶体；

所述线缺陷是由在所述光子晶体中沿与X轴成135°的方向引入的空气孔构成，X轴与所述光子晶体的一条边平行；

所述引入的空气孔的半径大于或小于所述光子晶体的空气孔的半径；

所述输入端口包括第一输入端口和第二输入端口，用于输入入射光；

所述入射光包括信号光和控制光，所述第一输入端口和所述第二输入端口分别用于输入信号光和控制光；

所述信号光和所述控制光之间有相位差；

所述输出端口包括第一输出端口和第二输出端口，第一输出端口和第二输出端口均用于所述信号光的输出。

2.根据权利要求1所述的基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，其特征在于，所述入射光的归一化频率范围为0.16～0.1874a/λ，其中a为相邻的两个空气孔中心的距离，λ为入射光的波长。

3.根据权利要求1所述的基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，其特征在于，所述光子晶体以硅为背景材料。

4.根据权利要求1所述的基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，其特征在于，所述信号光和所述控制光之间的相位差为2kπ+π/2或2kπ-π/2，k为整数。

5.根据权利要求1所述的基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，其特征在于，所述入射光通过所述线缺陷传播时，发生反射和透射，形成反射光和透射光。

6.根据权利要求5所述的基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，其特征在于，所述反射光和所述透射光之间的相位差为π/2。

7.根据权利要求1所述的基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，其特征在于，所述输入端口和所述输出端口分别设于所述光子晶体四边的中间位置。

8.根据权利要求7所述的基于自准直效应的光子晶体1×2偏振无关选路开关，其特征在于，所述输入端口与所述输出端口面对面设置。