基于級聯(lián)非線性微腔的全光二極管研究*

李潮 王敏 劉道柳 胡永祿 吳俊芳

(1.華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.威斯康星大學(xué)麥迪遜分校， 美國 威斯康星 麥迪遜 53705)

基于級聯(lián)非線性微腔的全光二極管研究*

李潮1,2王敏1劉道柳1胡永祿1吳俊芳1,2

(1.華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.威斯康星大學(xué)麥迪遜分校， 美國 威斯康星 麥迪遜 53705)

全光二極管是未來光通信和光計算中的關(guān)鍵器件之一.文中通過仿真實(shí)驗(yàn),利用時域有限差分法研究了一種新型非線性光子晶體全光二極管的非互易光傳輸特性,提出通過利用兩個超短脈沖泵浦對光子晶體直接耦合微腔與側(cè)邊耦合微腔分別進(jìn)行泵浦,以對兩個微腔的非線性光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)進(jìn)行精確調(diào)控,從而在較寬的工作帶寬內(nèi)(0.44 nm,是已報道的數(shù)十倍)實(shí)現(xiàn)信號光的單向高透射率(可達(dá)90%)，同時可獲得較高的正反向傳輸對比度(超過80).

全光二極管；光子晶體；光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)；時域有限差分法

信息技術(shù)的迅猛發(fā)展亟需更快的信息處理速度以及更大的信息存儲能力，而全光信號處理可以突破集成電路的瓶頸,使信息處理速度及信息存儲能力顯著提高.其中，全光二極管又是全光信號處理中的一個關(guān)鍵器件，因此近年來對于全光二極管的研究成為了光學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一,而基于光子晶體[1- 2]的全光二極管更是備受青睞.光子晶體是一種在微米、亞微米等光波長量級上折射率呈周期性變化的介質(zhì)材料,通過設(shè)定合適的光子晶體參數(shù),可以制作出工作在通信頻段(波長為1 550 nm左右)的全光二極管.

國內(nèi)外很多研究在全光二極管方面取得了卓越進(jìn)展.Scalora等[3- 4]第一次提出基于光子晶體全光二極管的設(shè)想,它依賴于非線性光子晶體帶邊的動態(tài)移動,但是這種利用禁帶邊緣制備的全光二極管存在局限性,因光子晶體只存在上下兩個禁帶邊緣,入射光波的頻率只在禁帶邊緣范圍內(nèi)才作用,限制了全光二極管的應(yīng)用;Wang等[5- 6]利用空間對稱破缺的原理,設(shè)計并制造了無源、被動、線性、易集成的硅基二維光子晶體全光二極管,實(shí)現(xiàn)了集成光學(xué)非對異性傳輸?shù)耐黄?Lu等[7]通過將金屬納米顆粒表面等離激元共振增強(qiáng)非線性光學(xué)效應(yīng)與光子晶體微腔的強(qiáng)光子局域效應(yīng)相結(jié)合成功制備了低功率、高對比度的全光二極管,可以達(dá)到接近實(shí)用化的要求;Fan等[8]利用微環(huán)諧振器非線性效應(yīng)成功制作出了光隔離器,獲得了大約27 dB的正反向傳輸對比度,但是其透射率不高,工作帶寬不到0.1 nm;Hwang等[9]利用液晶材料的光子帶隙效果以及非對稱的異質(zhì)結(jié)界面,實(shí)現(xiàn)了對圓偏振光的單向傳輸,然而液晶材料由于較大的尺寸不適合于實(shí)際的集成應(yīng)用;Lu等[7,10]利用二維光子晶體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了低功率、高對比度的光二極管.

眾所周知,在光子晶體中引入點(diǎn)缺陷形成微腔可以使光局域在波長量級的狹小空間內(nèi)，從而使微腔內(nèi)的光能量密度大大提高.如果在缺陷內(nèi)引入非線性介質(zhì),就可以顯著增強(qiáng)其非線性效應(yīng).利用這種非線性效應(yīng)可以動態(tài)地改變?nèi)毕輧?nèi)介質(zhì)柱的折射率,從而對其諧振波長進(jìn)行調(diào)控,使其處于諧振或失諧狀態(tài).文中物理模型利用兩個諧振頻率略有不同的點(diǎn)缺陷分別形成光子晶體非線性直接耦合腔以及側(cè)邊耦合腔結(jié)合的Fano型結(jié)構(gòu)，在特定的信號光功率下,選擇合適功率的超短脈沖泵浦光分別對直接耦合腔和側(cè)邊耦合腔進(jìn)行泵浦,以使兩個光子晶體微腔出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象(高能量態(tài)以及低能量態(tài)),采用高能量態(tài)與低能量態(tài)的組合,以期在較寬的工作帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)高的正向透射率和超低的反向透射率,并使其具有很高的對比度和較大的帶寬.

1 全光二極管的結(jié)構(gòu)及線性情況下的透射譜

文中的光子晶體二極管結(jié)構(gòu)如圖1所示,其基本單元是由16×11的Si基介質(zhì)柱構(gòu)成的正方晶格,沿xy方向分布,Si介質(zhì)柱折射率n0=3.4,高度(沿z方向)h=3 nm,其光子晶體的晶格常數(shù)a=543 nm,介質(zhì)柱直徑d=0.4a,光子晶體直接耦合腔A1中介質(zhì)柱半徑r1=0.21a,側(cè)邊耦合腔A2介質(zhì)柱中半徑r2=0.213a,A1腔與A2腔中的介質(zhì)柱的線性折射率n1=1.59.在文中的時域有限差分法(FDTD)計算中[11]，沿著x和y方向的空間步長都選為a/20，并將厚度為1 μm的完全匹配層(PML)作為邊界吸收條件，而激勵源都選為腰斑尺寸為0.15 μm的Gauss波形光束，并令其電場偏振沿著介質(zhì)柱方向(TM偏振).

圖1 光子晶體全光二極管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of photonic crystal all-optical diode

線性情況下,當(dāng)直接耦合腔A1或側(cè)邊耦合腔A2單獨(dú)存在時,由耦合模理論(CMT)可知透射率分別為[12- 13]

(1)

(2)

(3)

利用式(3)以及FDTD法分別得到了線性情況下的理論透射譜和數(shù)值仿真透射譜(在仿真計算中，連續(xù)波(CW)信號光為腰斑尺寸為0.15μm的Gauss波形光束，并令其電場偏振沿著介質(zhì)柱方向，從波導(dǎo)的最左端或最右端入射，其余參數(shù)與上文同),如圖2所示.結(jié)果顯示,理論數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真數(shù)據(jù)幾乎完全重合,呈現(xiàn)出典型的Fano型曲線.而且,該透射譜與光的傳輸方向沒有關(guān)系,即在線性情況下光傳輸是互易的.

圖2 線性情況下的理論透射譜與數(shù)值仿真透射譜

Fig.2 Theoretical and numerical transmission spectra in the linear case

2 單信號光非線性情況下的透射譜

上述分析說明在線性情況下,可以在極窄的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)透射率從0到81%的急劇變化(如圖2所示),但是正向、反向透射率一樣,還實(shí)現(xiàn)不了光的單向傳輸.因此文中在直接耦合微腔A1和側(cè)邊耦合微腔A2引入Kerr非線性,結(jié)構(gòu)仍然如圖1所示,其中微腔介質(zhì)柱的折射率n=n1+n2I,n2為材料的非線性系數(shù),I為微腔中的光強(qiáng).在文中仿真計算中,微腔材料的線性折射率以及非線性系數(shù)分別取為n1=1.59和n2=1×10-5μm2/W.由于采用直接耦合腔A1和側(cè)邊耦合腔A2形成的不對稱結(jié)構(gòu),信號光能量耦合進(jìn)入腔內(nèi)的能量會因入射方向的不同而不同，在非線性Kerr效應(yīng)的作用下，兩個微腔諧振頻率的紅移量也將不一樣，從而使得光的正反向傳輸是非互易的.文獻(xiàn)[14]認(rèn)為,在合適的信號光頻段以及合適的信號光功率下,由于從左到右和從右到左的兩個微腔的紅移量不同,將使得從右到左傳輸時的峰值透射率與從左到右傳輸時的谷值透射率在某一頻率ωi相遇(如圖3所示),從而獲得較高的正向透射率和極低的反向透射率,并且理論上正反向傳輸對比度可達(dá)無窮大.

圖3 文獻(xiàn)[14]預(yù)言的非線性透射譜

Fig.3 Nonlinear transmission spectra presented by Ref.[14]

文中通過用有限時域差分法進(jìn)行數(shù)值仿真計算(信號光功率依次取為Pin=0.000,0.002,0.005和0.010 W，其他參數(shù)與上文同.沿著x和y方向的空間步長都選為a/20，并將厚度為1 μm的完全匹配層(PML)作為邊界吸收條件),結(jié)果如圖4所示.雖然從右到左傳輸和從左向右傳輸時,透射譜的確出現(xiàn)了紅移,且紅移量隨著信號光功率的增大而增大,但是透射譜的谷值會隨著信號光功率增大而逐漸上升,直至無明顯谷值.

圖4 仿真計算得到的不同信號功率下的透射譜

Fig.4 Transmission spectra at different signal powers obtained by FDTD calculations

圖5 不同信號光功率下正、反向透射譜對比

Fig.5 Comparison of the transmission spectra for two opposite transmission directions at different signal powers

3 雙脈沖泵浦下信號光的非互易傳輸特性

上述分析說明,在單信號光的情況下,光的正、反向傳輸對比度不高,工作譜寬太窄,達(dá)不到全光二極管的較高性能要求.為克服此困難,分別對光子晶體直接耦合腔A1以及側(cè)邊耦合腔A2加入超短脈沖泵浦源,超短脈沖泵浦Pulse1和Pulse2的中心波長均為(1550±2) nm,脈寬為200 fs,重復(fù)頻率為350 MHz,利用非線性光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)對兩個微腔進(jìn)行精細(xì)調(diào)控,如圖6所示,所采用的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料與圖1相同，其工作原理如下.

圖6 雙脈沖泵浦下的全光二極管示意圖

Fig.6 Schematic diagram of all-optical diode under the pump of two pulses

當(dāng)一定功率和波長(其波長略大于側(cè)邊耦合微腔的諧振波長)的連續(xù)波信號光入射時,利用兩束不同功率的超短脈沖泵浦光Pulse1為與Pulse2分別對直接耦合微腔A1和側(cè)邊耦合微腔A2進(jìn)行泵浦.其中直接耦合腔充當(dāng)可變透射單元,而側(cè)邊耦合腔充當(dāng)可變反射單元.由于這兩個微腔都是非線性的,在合適的脈沖泵浦功率下,借助非線性Kerr效應(yīng)可使得這兩個微腔出現(xiàn)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài),即高能量態(tài)和低能量態(tài).

當(dāng)光從左邊入射時,在合適的Pulse1泵浦功率下直接耦合微腔A1處于高能量狀態(tài),A1微腔的諧振波長將產(chǎn)生紅移,如果紅移后的諧振波長與入射信號光波長恰好相等,則信號光將以較高的透射率通過直接耦合腔,與此同時,在合適的Pulse2功率下側(cè)邊耦合腔A2處于低能量態(tài),信號光不會被側(cè)邊耦合腔反射,從而實(shí)現(xiàn)從左到右的高透射率;反之,當(dāng)光從右邊入射時,若能使直接耦合微腔A1處于低能量透射失諧狀態(tài)(此時透射率很低)而側(cè)邊耦合腔A2處于高能量反射諧振態(tài)(此時側(cè)邊耦合腔相當(dāng)于一個高效的反射鏡),則信號光將被側(cè)邊耦合微腔和直接耦合微腔雙重反射,從而實(shí)現(xiàn)從右到左的超低透射率.這樣便可同時實(shí)現(xiàn)正向高透射率、反向低透射率以及高對比度.

為驗(yàn)證上述思想,不失一般性,以信號光功率Pin=0.005 W為例,當(dāng)把超短脈沖泵浦Pulse1和Pulse2功率分別調(diào)至18 W和8 W時(其他參數(shù)與圖6同，且沿著x和y方向的空間步長均為a/20，并將厚度為1 μm的完全匹配層作為吸收邊界條件),可以實(shí)現(xiàn)正向高透射率、反向低透射率(左高右低)的效果：當(dāng)光從左邊入射時,直接耦合微腔A1處于諧振高透射態(tài),而側(cè)邊耦合腔A2處于失諧低反狀態(tài),故信號光能以較高的透射率(88%)從左向右透射;而當(dāng)光從右邊入射時,直接耦合微腔A1處于失諧低透狀態(tài)，同時側(cè)邊耦合腔A2處于諧振高反態(tài),故信號光將被側(cè)邊耦合微腔和直接耦合微腔雙重反射,從而實(shí)現(xiàn)從右到左的超低透射率(小于1%)，如圖7所示,最高對比度可達(dá)83,帶寬可達(dá)0.44 nm,是現(xiàn)已報道的其他Fano型光二極管的數(shù)十倍[8].

圖7 雙脈沖泵浦下的全光二極管透射譜

Fig.7 Transmission spectra of all-optical diode under the pump of two pulses

4 結(jié)語

文中研究了非線性光子晶體直接耦合腔與光子晶體側(cè)邊耦合腔組合下的單向透射特性,并利用時域有限差分方法對其正、反向傳輸特性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在單信號光功率的情況下,隨著信號光功率的增大,谷值會消失,達(dá)不到理想的光二極管的透射特性.在此基礎(chǔ)上,采用獨(dú)立的兩個超短脈沖泵浦對光子晶體直接耦合腔與側(cè)邊耦合腔分別進(jìn)行泵浦,對兩個微腔的非線性光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)進(jìn)行精確調(diào)控,在較寬的頻段范圍內(nèi)利用合適的泵浦功率可以實(shí)現(xiàn)信號光的單向高透射率以及高對比度.文中研究結(jié)果對全光二極管器件的設(shè)計與應(yīng)用具有重要的參考價值.

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Investigation into All-Optical Diode Based on Cascaded Nonlinear Microcavity

LI Chao1,2WANG Min1LIU Dao-liu1HU Yong-lu1WU Jun-fang1,2

(1. School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2. University of Wisconsin-Madison, Madison 53705, Wisconsin, USA)

All-optical diode is one of the key devices of future optical communication and photonic computer. In this paper, the nonreciprocal optical transmission characteristics of a new-type all-optical diode based on nonlinear photonic crystal (PC) are analyzed by means of finite difference time domain, and two ultrashort pulse lasers are used to pump the PC directly-coupled microcavity and the side-coupled microcavity, respectively, so that the nonlinear optical bistable state of the two microcavities can be accurately adjusted and a high-performance optical diode, which is of a unidirectional transmission rate up to 90% and a forward-reverse transmission contrast ratio of more than 80, is realized in a broad operating bandwidth of more than 0.44 nm (dozens of times that in the literature).

all-optical diode; photonic crystal; optical bistable state; finite difference time domain

2016- 03- 18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11304099)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(S2013040015639)；華南理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)面上項(xiàng)目(2014ZM0077) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(11304099)and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(S2013040015639)

李潮(1976-), 男，博士,副教授,主要從事微納光子學(xué)領(lǐng)域的研究.E-mail:lichao@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)06- 0015- 05

TN 256

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.06.003