CN1515926A - 一种二维光子晶体及其作为光开关的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光子晶体及其作为光开关的应用。本发明提供的一种二维光子晶体，由一二维平面薄膜构成，所述的二维平面薄膜上有呈周期性分布的微腔，所述的微腔之间的距离由晶格常数确定。本发明还提供了一种二维光子晶体作为光开关的应用，泵浦光信号与探测光信号同时到达所述二维光子晶体内的同一区域，改变泵浦光信号强度，使得所述二维光子晶体的光子带隙移动，从而实现对探测光信号的开关作用。本发明的二维光子晶体通过改变晶格常数、孔半径等结构参数，可以实现从可见光到红外波段的二维光子晶体光开关；光子晶体光子带隙改变的响应速度在ps量级；光子晶体制备简单，使用和测量方便。

Description

一种二维光子晶体及其作为光开关的应用

发明领域

本发明涉及一种光子晶体，特别是涉及一种为二维平面薄膜的光子晶体及其作为光开关的应用。

技术背景

光子晶体是制备集成光子器件的重要基础。利用光子晶体所制备的光开关，能够非常有效地控制光的传输过程，因而在光计算和光信息处理领域有着非常重要的应用。但是，实现光开关需要高质量的光子晶体，尤其对光子带隙的要求更为苛刻，因此，受光子晶体制备技术的限制，到目前为止，对光子晶体光开关的研究工作仍主要集中在理论研究方面(文献1，A.Huttunen，P.Torma，“Band Structure for NonlinearPhotonic Crystals”，J.Appl.Phys.，2002，91(7)：3988-3991)。人们提出了许多机理来实现光子晶体光开关(文献2，P.Tran，“Optical Switching with a Nonlinear PhotonicCrystal：a Numerical Study”，Opt.Lett.1996，21(15)：1138-1140；文献3，P.Tran，“OpticalLimiting and Switching of Short Pulses by Use of a Nonlinear Photonic BandgapStructure with a Defect”，J.Opt.Soc.Am.B 1997，14(10)：2589-2594；文献4，P.Tran，“All-Optical Switching with a Nonlinear Chiral Photonic Bandgap Structure”，J.Opt.Soc.Am.B 1999，16(1)：70-73；文献5，P.M.Johnson，A.F.Koenderink，W.L.Vos，“UltrafastSwitching of Photonic Density of States in Photonic Crystals”，Phys.Rev.B 2002，66(11)：081102(R))，其中在实验中容易实现的是光子带隙偏移机理(文献6，M.Scalora，J.P.Dowling，C.M.Bowden and M.J.Bloemer，“Optical Limiting and Switching ofUltrashort Pulses in Nonlinear Photonic Band Gap Materials”，Phys.Rev.Lett.1994，73(10)：1368-1371)。受技术条件的限制，目前，还没有二维和三维光子晶体光开关的实验研究报道。人们只对一维光子晶体光开关进行了初步的实验研究。人们利用半导体材料，通过复杂的薄膜制备技术来制备一维光子晶体，利用激子的光学Stark效应来实现光子带隙的移动，使探测光的透过率发生改变，从而实现一维光子晶体光开关(文献7，A.Hache and M.Bourgeois，“Ultrafast All-Optical Switching in aSilicon-Based Photonic Crystal”，Appl.Phys.Lett.，2000，77(25)：4089-4091)。但是这种方法存在很大的缺陷：一是光子晶体的制备过程非常复杂，不易调控，难以制备出理想的光子晶体；二是不能在大波段范围内实现光子晶体光开关；三是对光传输的控制作用很弱，探测光透过率的变化很小，只从3％变化到20％(文献8，M.Shimizuand T.Lshihara，“Subpicosecond Transmission Change in Semiconductor-EmbeddedPhotonic Crystal Slab：Toward Ultrafast Optical Switching”，Appl.Phys.Lett.2002，80(16)：2836-2838)，难以实现对光的传输过程进行有效控制。这就极大地限制了光子晶体光开关的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中光子晶体制备复杂的不足，从而提供一种利用非线性铁电材料及通过微加工技术制备的二维光子晶体；

本发明的另一目的在于利用铁电材料自身的三阶非线性光学Kerr效应使得二维光子晶体的光子带隙发生移动，实现对探测光传输过程的“开”与“关”的控制作用，从而提供一种二维光子晶体作为光开关的应用。

本发明的技术方案为：

本发明提供的一种二维光子晶体，由一二维平面薄膜构成，所述的二维平面薄膜上有呈周期性分布的微腔，所述的微腔之间的距离由晶格常数确定；所述的二维平面薄膜为铁电材料，包括SrTiO₃、BaTiO₃、Ce:BaTiO₃和Rh:BaTiO₃；所述的微腔为中空的圆孔，其半径在10nm～300nm之间；所述的圆孔是通过聚焦电子束或离子束刻蚀技术制成；所述的周期性分布为正方形周期分布；所述的二维平面薄膜厚度在100nm～1μm之间。

本发明提供的一种二维光子晶体作为光开关的应用，通过如下方式实现：

泵浦光信号与探测光信号同时到达所述二维光子晶体内的同一区域，泵浦光信号激发铁电材料的三阶非线性效应，使得所述二维光子晶体的光子带隙发生移动，从而改变探测光信号对于所述二维光子晶体的透过率，实现对探测光信号的开关作用。

所述的探测光信号的波长位于所述二维光子晶体在泵浦光信号强度改变之前的光子带隙的带边；所述的探测光信号垂直于所述二维光子晶体侧面入射。

本发明的原理为：

本发明利用非线性铁电材料自身的三阶非线性光学Kerr效应来实现光开关。在强激光(泵浦光)的激发作用下，铁电材料中的阳离子相对于配位体氧原子发生相对位移，从而产生一个感应极化强度，使铁电材料的折射率n随着泵浦光强的不同而改变：

$n=n_0+\frac{120{\mathrm{\π}}^2}{c{n}_0^2}{R}_e\left({\mathrm{\χ}}^{\left(3\right)}\right)I---\left(1\right)$

其中，n₀为铁电材料的线性折射率，c为真空中的光速，x⁽³⁾为铁电材料的三阶非线性极化率，是一个复数，R_e(x⁽³⁾)表示取x(³⁾实部的数值，I为泵浦光强。铁电材料折射率的变化，将引起光子带隙的位置发生改变。如果铁电材料的三阶非线性极化率x⁽³⁾为正值。根据三阶非线性光学Kerr效应，在泵浦光的作用下，铁电材料的折射率将增加，这使有效折射率n增大，从而使光子带隙向长波方向移动。如果铁电材料的三阶非线性极化率x⁽³⁾为负值，在泵浦光的作用下，铁电材料的折射率将减小，这使有效折射率 n减小，从而使光子带隙向短波方向移动。选择探测光的波长位于光子带隙的带边。光子带隙的移动将引起探测光透过率的改变，使探测光透过光子晶体或者沿原路被反射回去，从而对探测光的传输过程起到“开”与“关”的控制作用。

本发明的优点在于：

1、通过改变晶格常数、孔半径等结构参数，采用微加工技术制备不同波段的二维非线性铁电材料光子晶体，可以实现从可见光到红外波段的二维光子晶体光开关。

2、光子晶体光子带隙改变的响应速度在ps量级。

3、本发明的光子晶体制备简单，使用和测量方便。

附图说明

图1是本发明的二维SrTiO₃光子晶体示意图；

图2是本发明实施例1中的光子晶体的透过谱曲线(第二带隙)；

图3是本发明的二维光子晶体作为光开关应用的装置示意图；

图4是本发明实施例2中波长为670nm的探测光的透过率随泵浦光强度的变化曲线；

图5是本发明实施例3中的光子晶体的透过谱曲线(第二带隙)；

图6是本发明实施例4中波长为1236nm的探测光的透过率随泵浦光强度的变化曲线；

图面说明：

二维平面薄膜1    微腔2         晶格常数3       光子带隙的带边4

YAG激光器5       OPA激光器6    半透半反镜7     延迟线8

全反镜9         聚焦透镜10    全反镜11      半透半反镜12

聚焦透镜13      光子晶体14    聚焦透镜15    单色仪16

光电倍增管17    计算机18      示波器19      激光二极管20

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：

实施例1

制备图1所示的一种SrTiO₃二维光子晶体；

本实施例的光子晶体由在硅基片上生长的厚度为300nm的SrTiO₃平面薄膜1构成，在薄膜1上有正方形周期性分布的微腔2，所述的微腔2为中空的圆孔，晶格常数3为150nm，圆孔半径为50nm，所述的圆孔是采用聚焦电子束刻蚀技术制备出。

使用光谱仪探测光子晶体的光子带隙，其第二光子带隙如图2所示，光子带隙位于可见光波段，其中心波长为613nm。光子晶体透过谱的深度接近两个数量级，而且透过谱的两个带边4很陡，说明此光子晶体是高质量的光子晶体。

在实际使用中，所述的二维平面薄膜1也可根据要求使用商品化的铁电材料薄膜。

所述的第二光子带隙是根据Bragg衍射公式2 ndsinθ＝kλ，当k＝2时对应的光子晶体的透过谱曲线；其中， n为平均折射率，d为晶格常数，θ为探测光的入射角，k＝1，2，3，4…，代表第几光子带隙，λ为光子带隙中心波长。

实施例2

应用实施例1中的光子晶体作为可见光波段的光开关：

图3是本发明实施例1中的二维光子晶体作为光开关应用的装置示意图。

其中YAG激光器5(美国光谱公司制造，脉冲宽度为35ps)发出的532nm的激光做为泵浦光，激光强度范围为0～50GW/cm²；OPA激光器6(中科院物理所OPA-714)发出的激光做为探测光，其波长为670nm，位于如图2所示的光子带隙长波带边，脉冲宽度35ps，激光强度范围为1MW/cm²～10MW/cm²；YAG激光器5发出的泵浦光经半透半反镜7分束，其反射光用于泵浦OPA激光器6，其透射光经延迟线8全反射，再经全反镜9全反射后沿光子晶体14上表面垂直入射到光子晶体14内部；OPA激光器6发出的探测光经全反镜11全反射，再经半透半反镜12分束，其反射光沿光子晶体14的侧面垂直入射到光子晶体14内部，并与泵浦光相交叉，其透射光经激光二极管20同步触发示波器19；光子晶体14前表面和侧面分别放置聚焦透镜10和13并处于其焦面上；单色仪16的入射狭缝处于聚焦透镜15的焦面上。

由单色仪16来测量探测光信号，经光电倍增管17后输入示波器19进行显示，最后由计算机18进行数据的采集和处理。

通过延迟线8来调节泵浦光与探测光之间的时间关系，使得泵浦光信号与探测光信号同时到达光子晶体14内部泵浦光和探测光的交叉点。改变泵浦光的强度，使其从0逐步增加，探测光的透过率随泵浦光强度的变化关系曲线如图4所示。没有泵浦光作用时，探测光的透过率为90％，在泵浦光作用最强时，探测光的透过率为0，实现了对探测光传输过程的开与关的控制作用。

由此，实现了二维光子晶体作为可见光波段光开关的应用。

实施例3

另一种二维光子晶体：

本实施例中的光子晶体与实施例1中的光子晶体相似，不同之处在于晶格常数为400nm，圆孔半径为160nm。其第二光子带隙如图5所示，光子带隙位于红外波段，其中心波长为1060nm。

实施例4

应用实施例3中的光子晶体作为红外波段的光开关：

使用与实施例2相似的装置，不同之处在于发出探测光的激光器为半导体激光器，探测光波长为1236nm，位于如图5所示的光子带隙长波带边，脉冲宽度35ps，激光强度1MW/cm²～10MW/cm²。

通过延迟线8来调节泵浦光与探测光之间的时间关系，使得泵浦光信号与探测光信号同时到达光子晶体14内部泵浦光和探测光的交叉点。改变泵浦光的强度，使其从0逐步增加，探测光透过率随泵浦光强度的变化关系曲线如图6所示。没有泵浦光作用时，探测光的透过率为98％，在泵浦光作用最强时，探测光的透过率为0，实现了对探测光传输过程的开与关的控制作用。

由此，实现了二维光子晶体作为红外波段光开关的应用。

实施例5

本实施例的光子晶体由厚度为600nm的Ce:BaTiO₃平面薄膜构成，在薄膜上有呈正三角形周期性分布的圆孔，晶格常数为200nm，圆孔半径为100nm。

Claims (10)

1、一种二维光子晶体，该晶体由一二维平面薄膜(1)构成，其特征在于，所述的二维平面薄膜上(1)有呈周期性分布的微腔(2)，其微腔(2)之间的距离由晶格常数(3)确定；所述的二维平面薄膜(1)为铁电材料。

2、根据权利要求1所述的一种二维光子晶体，其特征在于，所述的微腔(2)为中空的圆孔，其半径在10nm～300nm之间。

3、根据权利要求1所述的一种二维光子晶体，其特征在于，所述的周期性分布为正方形周期分布。

4、根据权利要求1所述的一种二维光子晶体，其特征在于，所述的二维平面薄膜(1)厚度在100nm～1μm之间。

5、根据权利要求1所述的一种二维光子晶体，其特征在于，所述的铁电材料包括SrTiO₃、BaTiO₃、Ce:BaTiO₃和Rh:BaTiO₃。

6、一种权利要求1所述的二维光子晶体的作为光开关的应用，其特征在于，泵浦光信号与探测光信号同时到达所述二维光子晶体内的同一区域，泵浦光信号激发铁电材料的三阶非线性效应，使得所述二维光子晶体的光子带隙发生移动，从而改变探测光信号对于所述二维光子晶体的透过率，实现对探测光信号的开关作用。

7、根据权利要求6所述的一种二维光子晶体作为光开关的应用，其特征在于，所述的探测光信号的波长位于所述二维光子晶体在泵浦光信号强度改变之前的光子带隙的带边(4)。

8、根据权利要求6所述的一种二维光子晶体作为光开关的应用，其特征在于，所述的探测光信号垂直于所述二维光子晶体侧面入射。

9、根据权利要求6所述的一种二维光子晶体作为光开关的应用，其特征在于，所述的泵浦光信号的强度范围为0～50GW/cm²。

10、根据权利要求6所述的一种二维光子晶体作为光开关的应用，其特征在于，所述的探测光信号的强度范围为1MW/cm²～10MW/cm²。

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