CN110515154B - 基于光子晶体场谐振模式的光开关控制方法及光开关 - Google Patents

Abstract

一种基于光子晶体谐振体的场谐振模式的光开关控制方法及关开关，该方法是将两束入射光同时沿同一光轴方向垂直入射到具有线性色散特性的光子晶体谐振体上，第一条入射光为固定入射光，第二条入射光为动态相位可调入射光，两束入射光被反射后在光子晶体谐振体中发生场谐振叠加，并在垂直入射光轴的方向产生对称的辐射光束，通过调节第二束入射光的相位，控制两束入射光之间的相位差为0或π，实现光子晶体谐振体的对称辐射光束的开关状态。所述光开关包括激光器、透镜、分束棱镜和光子晶体谐振体，分束棱镜的分束方向设置有反射镜，光子晶体谐振体垂直设置于合束后的两束入射光的光轴上。本发明工作波长可选择、集成度高、集光开关与分束器功能于一体。

Description

基于光子晶体场谐振模式的光开关控制方法及光开关

技术领域

本发明涉及一种基于光子晶体谐振体的场谐振模式控制的光开关，属于光开关技术领域。

背景技术

随着光通信和光信息技术的发展，光学器件正在向小型化和集成化方向发展。光开关作为数据传输和信息交换的基本单元，对光通信与光信息技术向集成化方向发展具有十分重要的意义。

光开关的主要功能是在可控的情况下，实现光信号的有无或功率、相位等参量在两个状态之间的快速切换。传统光开关存在尺寸过大和单光路传导等问题，要得到多束光需要附加相应的分束器件，难以将光开关器件集成到集成光路中。

常见微纳级光开关中金属本征损耗阻碍了其广泛的应用，亟待设计一种体积小、损耗小、成本低、且集成度高的多功能光开关器件。

发明内容

为解决现有光开关存在的技术问题，本发明提供一种基于光子晶体谐振体的场谐振模式的光开关控制方法，以及实现该方法的光开关，该光开关结构简单、工作波长可选择、集成度高、集光开关与分束器功能于一体。

本发明的基于光子晶体场谐振模式的光开关控制方法，是：

将两束入射光同时沿同一光轴方向垂直入射到具有线性色散特性的光子晶体谐振体上，第一束入射光为固定入射光，第二束入射光为动态相位可调入射光，两束入射光在光子晶体谐振体中激发剧烈的场谐振，发生场谐振叠加(也就是相干，干涉相涨或干涉相消)，并在垂直入射光轴的方向产生对称的辐射光束，通过调节第二束入射光的相位，控制两束入射光之间的相位差为0或π，实现光子晶体谐振体的对称辐射光束的开关状态。

所述两束入射光为相干光束，可由同一入射光分束产生。

实现上述方法的光开关，采用以下技术方案：

该光开关，为两路对称辐射光开关，集光开关与分束器功能于一体；包括激光器、透镜、分束棱镜、反射镜和光子晶体谐振体，激光器、透镜和分束棱镜位于同一轴线上且依次设置，分束棱镜的分束方向设置有第一反射镜和第二反射镜，矩形光子晶体谐振体垂直设置于合束后的两束入射光的光轴上；

激光器，用于发射光束；

透镜，将激光器发射的放射形的锥形发散光束汇聚为平行光束，正投射到分束棱镜上；

分束棱镜，将激光器发射的入射光束分为相互垂直相同的两条入射光；

第一反射镜和第二反射镜，用于将两束分束光按原路正反射回分束棱镜中，沿同一光轴方向垂直入射到光子晶体谐振体中，第一反射镜固定，第二反射镜用于两束入射光信号间光程差0到π之间的转换(通过位移或改变外界传输条件实现)；

光子晶体谐振体，由具有线性色散特性的光子晶体矩阵和垂直入射方向的背反射镜组成，同时接收两束相干入射光，在工作波段，被反射后的两束入射光会在光子晶体谐振体中激发出强烈的基模场谐振并叠加，当两束入射光相位差为0时，场谐振叠加增强，输出强度最强，状态为开；当二者相位差为π时，场谐振叠加抵消，输出强度最弱，状态为关。

上述光开关，还在光子晶体谐振体的垂直辐射光轴的方向设置光电探测器和电流表，电流表与光电探测器电连接，光电探测器吸收光子晶体的垂直入射光轴的对称辐射的光信号后转换为输出电流，电流表用于检测电路中有无电流通过，从而判断光电探测器是否接收到光信号。

所述光子晶体矩阵由介质单元按照正方周期排列组合而成。所述介质单元的介电常数一般情况为5以上。

光子晶体谐振体的背反射镜，用于高效反射入射光，使之相互叠加获得完全驻波场谐振，使辐射光效率达到90％以上。光子晶体谐振体具有线性色散特性，可将光波长拉伸到可识别的自身尺寸量级。不同形状、尺寸和周期的设计可以在一定的工作频段获得可调控的线性色散特性，有限高度介质单元可放置在金属板之间模拟二维结构。光子晶体背面的反射镜由金属材料铝(Al)制成，在光频和更低频率下具有高反射特性，用于在光子晶体中激发出完全的定向驻波场谐振。光子晶体谐振体在不同频率和相位光的激励下产生不同的场谐振模式，驻波场谐振的强度分布与对称辐射光的强度分布成正比。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明根据光子晶体的标量不变性，光子晶体谐振体结构可以按比例缩放适应不同的工作波段，从微波、太赫兹到光频微纳波段。利用反射镜位置变化调节第二束光路的相位，通过控制光子晶体谐振体内谐振场的强度实现对称辐射光阻断或通过的开关效应，通过光程改变第二束光路信号相位，会影响两束光在光子晶体谐振体中叠加场谐振的强弱，实现对称辐射光的打开和关闭，通过改变外界传输条件也会影响相位传输特性，从而实现光开关的打开和关闭效果。

2.本发明具有工作波长的可选择性，可以通过调节光子晶体的结构参数调节工作波段，即入射光的响应波长，从而实现对特定工作波段的开关效应。工作频段不限于单频工作波段，由于光子晶体可拉伸传播波长特性，即使入射光波长相对最佳工作波段具有一定展宽仍然能够实现良好的对称辐射光开关功能。

3.不同于普通的单路光开关，该发明为两路对称辐射光开关，集合光开关与分束器功能于一身，并且两束幅射光具有相同的振幅、相位和偏振等光传输特征。

4.本发明基于光子晶体的线性色散特性，可以拉伸光波长到可识别的自身尺寸量级，矩形光子晶体谐振体尺寸和结构参数的变换可以有效裁剪其传导特性。

5.本发明具有结构简单、成本低、微小型化、集成度高等优点，可以应用在光信息和光通信等领域，为微纳尺度的集成光路光学器件设计的提供了新的途径。

附图说明

图1为本发明场谐振模态控制对称辐射光开关的工作原理图。

图2为本发明场谐振模态控制对称辐射光开关中光子晶体谐振体的结构示意图；图中：1.高折射率介质柱，2.抛光金属反射镜；背景为空气。

图3是本发明中光子晶体谐振体辐射光透射谱，实线为光开关“开”时透射谱，点线为光开关“关”时透射谱。

具体实施方式

本发明根据光子晶体的标量不变性，光子晶体谐振体结构可以按比例缩放适应不同的工作波段，从微波、太赫兹到光频微纳波段。两束入射光同时正入射光子晶体谐振体，通过光程变化改变其中一束光路相位信号，会影响两束光在光子晶体谐振体中叠加场谐振的强弱，实现对称辐射光的打开和关闭，也可以通过改变外界传输条件影响相位传输特性，从而实现光开关的打开和关闭效果。

参见图1，将入射光分束为两条垂直的光路，第一条光路为固定入射光路，第二条光路为动态控制光路，两条入射光路同时沿x光轴线方向垂直入射到光子晶体谐振体上，两条入射光路被光子晶体谐振体的背面反射镜反射后在光子晶体谐振体中激发完全的驻波场谐振，并在垂直光轴的y方向产生对称的辐射光束，通过调节第二条光路的相位实现控制光子晶体谐振体的对称辐射光束的开关状态。

利用光子晶体谐振体内场谐振产生对称的定向强辐射特性，通过调节第二条光路相对第一条光路的相位差控制叠加场谐振的相长或相消，实现对光子晶体谐振体对称辐射的阻断和通过的开关效应，得到光开关打开和关闭的效果。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

为满足光子集成光路中亚波长尺度高效光开关器件设计的要求，本实施例提供一种基于正方光子晶体谐振体的场谐振模式控制对称辐射光开关，如图1所示，包括顺次设置的激光器、透镜、分束棱镜、反射镜、光子晶体谐振体、光电探测器和电流表。利用与迈克尔逊干涉仪类似的光路将固定光路入射光(第一条光路)和控制光(第二条光路)同时沿x光轴线方向垂直入射到正方光子晶体谐振体上，光电探测器与电流表之间电连接，放置在光子晶体谐振体沿y轴方向的辐射光路上。

具体而言：

激光器，发射工作频率光束，光束通过透镜投射到分束棱镜上，进行分束。

透镜为凸透镜，激光器发射的放射形的锥形发散光束通过透镜汇聚为平行光束，正投射到立方分束棱镜上。

分束棱镜为无损耗两束光立方分束棱镜，将激光器发射的入射光束分为相互垂直相同的两束光，一路y方向透射光和一路x方向反射光。

反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，两个反射镜用于将两束分束光按原路正反射回分束棱镜中，获得与光程成正比的相移量，一同沿x光轴方向垂直正入射到矩形光子晶体谐振体中，反射镜的位移用于控制光束的光程，即相位。第一反射镜固定，第二反射镜通过位移Δx或通过改变外界传输条件，实现两条光路信号间光程差0到π之间的转换。

光子晶体谐振体，由具有线性色散特性的正方光子晶体矩阵和背面反射镜组成，同时接收两束入射光，二者都会在光子晶体中激发出强烈的基模场谐振，当二者相位差为0时，二者场谐振叠加增强，辐射光开关状态“开”，输出辐射光强度最强；当二者相位差为π时，二者谐振叠加抵消，辐射光开关状态“关”，输出辐射光强度最弱。

具有线性色散特性的光子晶体矩阵，由多个介质柱按照正方周期排列组合而成。每个介质单元是与空气形成高介电常数比的材料，一般情况为5以上。不同形状、尺寸和周期的设计可以获得可调控的工作频率，有限高度介质单元可放置在金属板之间，可以模拟二维结构。光子晶体背面的垂直于x轴的反射镜由抛光金属板制成，在光频和更低频率下具有高反射特性，沿x轴入射光被反射后与入射光叠加产生完全驻波谐振，在光子晶体谐振体内激发出定向的强烈场谐振。利用光子晶体的线性色散性质可以将空间中很小的光波长进行拉伸。本实施例光子晶体谐振体具体为远大于1的高介电常数介质柱正方阵列，上下金属板和光子晶体阵列背面金属抛光反射镜，具体为Al。

光电探测器，吸收光子晶体侧面y轴方向对称辐射的光信号，吸收能量使其内部温度升高，从而改变其电学性能，产生输出电流。

电流表，与光电探测器电连接，光电探测器接收到辐射光信号后转换为输出电流，电流表用于检测电路中有无电流通过，从而判断光电探测器是否接收到光信号。

分束棱镜将入射光分成两条垂直光路，一路y方向透射光和一路x方向反射光，第一条光路为固定入射光路，第二条光路为动态控制光路，分别通过反射镜的正反射后，两束光信号重新在分束棱镜中汇合，然后一起沿光轴x方向垂直入射到光子晶体谐振体中；两条入射光在光子晶体谐振体中激发剧烈的场谐振，沿y轴方向产生对称的辐射光束。通过控制第二条光路反射镜的位置使光程变化实现对第二条光路信号的相位控制，通过调节第二条光路的相位信号调控两路光信号之间的相位差，在光子晶体谐振体内实现场谐振状态的相长或相消，从而实现对称辐射光开关的“开”和“关”状态。

实施例2

为进一步说明实施例1中光子晶体谐振体对两束入射光相位差分别为0和π时的不同辐射透射率，本实施例公开了光子晶体谐振体对两束光入射光相位差分别为0和π时的透射特性。

如图2所示，本实施例的基于光子晶体的场谐振模式控制对称辐射光开关，以太赫兹波段为例，光子晶体谐振体由20×20个高折射率介质柱1组成，光子晶体的晶格周期为1μm×1μm,介质柱半径为0.2μm，介质柱由介电常数为12.5的材料制成，上下金属板和作为反射镜的抛光背板(抛光金属反射镜2)均由Al材料制成。

如图3所示，当分束后反射回的两束光(第一条光路(固定入射光路)和第二条光路(动态控制光路))相位差为0时，两束入射光垂直照射到上述光子晶体谐振体上，在165.56THz产生最强的基模场谐振，沿y方向的总对称辐射透过率可达92％，辐射光束照到光电探测器上，光电探测器将接收到的光信号转化为电信号输出，电流表检测到有电流通过，此时，本实施例场谐振模态控制辐射光开关处于打开状体(ON)。当两束光相位差为π时，沿y方向的对称辐射透过率仅为0.34％，两束入射光在165.56THz都产生强烈的基模场谐振，但由于相位刚好相反，叠加场谐振几乎为零，几乎无辐射光束照到光电探测器上，光电探测器无电信号输出，电流表检测不到有电流通过，此时，本实施例场谐振模态控制辐射光开关处于关闭状体(OFF)。

Claims (5)

1.一种基于光子晶体谐振体的场谐振模式的光开关控制方法，其特征是：

将两束入射光一同沿x光轴垂直正入射到光子晶体阵列谐振体上，光子晶体具有拉伸波长的性质，第一束入射光为固定相位入射光，第二束入射光为动态相位可调入射光，通过调节第二条光路相对第一条光路的相位差控制叠加场谐振的相长或相消，实现对光子晶体谐振体对称辐射的阻断和通过的开关效应，得到光开关打开和关闭的效果；当二者相位差为0时，二者场谐振叠加增强，辐射光开关状态“开”，输出辐射光强度最强；当二者相位差为π时，二者谐振叠加抵消，辐射光开关状态“关”，输出辐射光强度最弱，实现对称辐射光束的开/关状态切换；

分束棱镜将入射光分为两束垂直光路，一路y方向透射光和一路x方向反射光，第一条光路为固定入射光路，第二条光路为动态控制光路，两束光信号重新在分束棱镜中回合，然后一起沿光轴x方向垂直入射到光子晶体谐振体中，其中，光子晶体谐振体具有线性色散特性，可将光波长拉伸到可识别的自身尺寸量级，两条入射光在光子晶体谐振体中激发完全的驻波场谐振，沿y轴方向产生对称的辐射光束，通过调节第二条光路反射镜的位置，使光程变化实现对第二条光路信号的相位控制，进而调控两路光信号之间的相位差，控制两路光信号之间的相位差为0或π，从而实现对称辐射光开关的“开”和“关”状态。

2.根据权利要求1所述基于光子晶体场谐振模式的光开关控制方法，其特征是：所述光子晶体阵列谐振体是由具有线性色散特性的光子晶体矩阵和垂直入射方向的背反射镜组成，光子晶体具有拉伸光波长到可识别的自身尺寸量级的性质；入射光轴方向垂直于反射镜面，沿光轴方向的入射光与反射光在光子晶体阵列中叠加，在满足谐振条件时会激发出剧烈的驻波场谐振，对称辐射光从阵列谐振体侧面出射。

3.根据权利要求2所述基于光子晶体场谐振模式的光开关控制方法，其特征是：所述场谐振的工作波段与光子晶体阵列的尺寸大小相关，由于传导波长被拉伸，在光子晶体谐振体中激发出强烈的基模场谐振。

4.根据权利要求1所述基于光子晶体场谐振模式的光开关控制方法，其特征是：所述两束入射光为相干光束，都在光子晶体阵列谐振体中激发出剧烈的场谐振，工作波段，当二者相位差为0时，合场强最强，在谐振体出射面的对称辐射光“开”，当二者相位差为π时，合场强最弱，在谐振体出射面的对称辐射光“关”。

5.一种实现权利要求1所述方法的光开关，为两路对称辐射光开关，集光开关与分束器功能于一体；其特征是：包括激光器、透镜、分束棱镜、反射镜和光子晶体谐振体，激光器、透镜和分束棱镜位于同一轴线上且依次设置，分束棱镜的分束方向设置有第一反射镜和第二反射镜，矩形光子晶体谐振体垂直设置于合束后的两束入射光的光轴上；

激光器，用于发射光束；

透镜，将激光器发射的放射形的锥形发散光束汇聚为平行光束，正投射到分束棱镜上；

分束棱镜，将激光器发射的入射光束分为相互垂直的两条入射光；

第一反射镜和第二反射镜，用于将两束分束光按原路正反射回分束棱镜中，沿光轴方向垂直入射到光子晶体谐振体中，第一反射镜固定，第二反射镜用于两束入射光信号间光程差0到π之间的转换；

光子晶体谐振体，由具有线性色散特性的光子晶体矩阵和垂直入射方向的背反射镜组成，同时接收两束相干入射光，在工作波段，被反射后的两束入射光会在光子晶体谐振体中激发出强烈的基模场谐振并叠加，当两束入射光相位差为0时，场谐振叠加增强，输出强度最强，状态为开；当二者相位差为π时，场谐振叠加抵消，输出强度最弱，状态为关。

Images