實(shí)現(xiàn)雙偏振光波信號(hào)單向傳輸?shù)亩S光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐 婷，李 琳，費(fèi)宏明，劉 欣，楊毅彪，曹斌照，陳智輝

(太原理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024)

基于電流單向流動(dòng)的電二極管是傳統(tǒng)集成電路系統(tǒng)的一個(gè)基本器件。集成電路啟發(fā)下的集成光學(xué)系統(tǒng)也有一個(gè)基本器件：基于光波單向傳輸?shù)娜舛O管[1-5]。全光二極管，又稱光學(xué)隔離器，是一種可以限制光沿特定方向傳輸?shù)墓鈱W(xué)器件。其功能是允許沿一個(gè)方向傳播的光通過該器件，并阻止反向的光傳播。全光二極管在集成光通信、全光網(wǎng)絡(luò)和光信息處理中有重要應(yīng)用。目前商用的具有單向傳輸功能的法拉第全光二極管，其尺寸在毫米尺度，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于激光器和光通信領(lǐng)域；但是由于需要外加磁場(chǎng)控制旋磁效應(yīng)，無法與現(xiàn)有的半導(dǎo)體集成光子學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合。目前光學(xué)集成器件朝著微納尺度發(fā)展，因此設(shè)計(jì)微納尺度的光學(xué)二極管[6-13]已成為時(shí)代發(fā)展的迫切需求。

基于非線性材料的全光二極管，包括由不同折射率材料在空間線性變化所組成的一維非線性光子晶體[1,14]，或者非對(duì)稱的非線性吸收材料的多層結(jié)構(gòu)和具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的二維非線性光子晶體微腔來實(shí)現(xiàn)全光二極管[15-17]，其最大透射率和透射比較高，但是這種原理需要很高的光強(qiáng)以產(chǎn)生足夠大的光學(xué)非線性效應(yīng)；基于磁光子晶體結(jié)構(gòu)的全光二極管，雖然滿足了低閾值光強(qiáng)和高透射對(duì)比度的要求，但需要在局域引入外加磁場(chǎng)控制磁性材料的旋磁效應(yīng)，不利全光集成?；谖⒓{光子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全光二極管，包括左手周期性超材料[18]、表面等離子體激元[19]等基于這種原理的全光二極管可以工作在較低的閾值光強(qiáng)。然而，以上設(shè)計(jì)的共同缺點(diǎn)是最大透射率較低。

2011年，李志遠(yuǎn)課題組在硅基二維平板光子晶體空氣橋結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了一種全光二級(jí)管，達(dá)到了0.885的信號(hào)對(duì)比度[20]。2015年，馮帥課題組在空氣背景中嵌入橢圓和圓的硅柱，設(shè)計(jì)了二維非對(duì)稱光子晶體結(jié)構(gòu)，利用能帶特性失配形成了光波單向傳輸，頻帶寬度約有0.05(c/a)，同時(shí)還出現(xiàn)了光波分束現(xiàn)象[21]。此種方法雖然不再局限于磁場(chǎng)和入射光功率等外界條件，但仍需考慮結(jié)構(gòu)的方向能帶結(jié)構(gòu)，并且只能實(shí)現(xiàn)單一偏振的單向傳輸，其正向透射率和對(duì)比度都不高，為了能在光通信波段中心1 550 nm附近同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種偏振光在同一波段的單向傳輸，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在一定的難度。

2015年，李琳等提出利用全反射界面，設(shè)計(jì)出了一種可實(shí)現(xiàn)TE偏振的新型光波單向傳輸器件，其結(jié)構(gòu)不受能帶特性的束縛，透射率和對(duì)比度大大提高，波長(zhǎng)范圍變寬[22]。因此本文利用全反射界面，通過優(yōu)化異質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了在光通信波段1 550 nm附近雙偏振態(tài)的光隔離器，并得到了較高對(duì)比度和較寬的單向傳輸范圍。

1 基本結(jié)構(gòu)

利用常用的電介質(zhì)材料硅和二氧化硅組成高折射率和低折射率介質(zhì)，其界面滿足全反射要求，設(shè)計(jì)了二維介質(zhì)柱型四角晶格固固光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其異質(zhì)交界面沿著Г-M方向，與Г-X方向夾角為45°.異質(zhì)交界面左邊為二維光子晶體PC1，右邊為二維光子晶體PC2，兩者分別距離異質(zhì)界面300 nm和900 nm.PC1是在二氧化硅材料中嵌入硅介質(zhì)柱，PC2為硅材料中嵌入二氧化硅介質(zhì)柱；它們有相同的晶格常數(shù)和半徑，分別為a=600 nm，r=140 nm.結(jié)構(gòu)左側(cè)為輸入波導(dǎo)，結(jié)構(gòu)右側(cè)為輸出波導(dǎo)，光輸入信號(hào)在輸入波導(dǎo)處從PC1到PC2傳播，光反射信號(hào)在輸出波導(dǎo)處從PC2到PC1傳播。

圖1 異質(zhì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch map of 2-D photonic crystal heterojunction

2 光波單向傳輸性能分析

基于上述結(jié)構(gòu)，計(jì)算了該結(jié)構(gòu)光信號(hào)的插入損耗和回波損耗，結(jié)果如圖2所示。其中，圖2(a)為TE偏振的插入損耗和回波損耗，圖2(b)為TM偏振的插入損耗和回波損耗。圖中T為插入損耗，B為回波損耗，定義對(duì)比度為10-0.1T/10-0.1B.其結(jié)果可知，無論TE偏振態(tài)還是TM偏振態(tài)，都在光通信中心1 550 nm附近實(shí)現(xiàn)了光隔離：TE偏振，在波長(zhǎng)1 450 nm到1 950 nm之間出現(xiàn)了光信號(hào)的單向傳輸現(xiàn)象，峰值范圍在波長(zhǎng)1 548～1 596 nm，其插入損耗最小為2.7 dB，回波損耗最高為25.4 dB，其對(duì)比度可達(dá)186；TM偏振，單向傳輸波段為1 400～1 905 nm，峰值范圍在波長(zhǎng)1 515～1 626 nm，插入損耗為1.2 dB，回波損耗為22.7 dB，此波段內(nèi)對(duì)比度大約為141.因此該結(jié)構(gòu)在TE偏振和TM偏振下實(shí)現(xiàn)了光通信中心1 550 nm附近的光波單向傳輸，而且在1 550 nm附近的較大波段內(nèi)插入損耗變化平緩，所以該結(jié)構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)較寬帶寬的光信號(hào)單向傳輸。

圖2 a=600 nm,r=140 nm時(shí)的插入損耗和回波損耗Fig.2 When a=600 nm, r=140 nm, the insertion loss and return loss

為了更具體地了解該結(jié)構(gòu)的傳輸特性，以波長(zhǎng)為1 550 nm的光信號(hào)為例，計(jì)算了其兩種偏振態(tài)下的正反向入射電場(chǎng)圖，結(jié)果如圖3所示。其中，圖3(a)-(b)為TE偏振下的正反向入射電場(chǎng)圖，圖3(c)-(d)為TM偏振下的正反向入射電場(chǎng)圖。從圖中得出，在TE偏振或者TM偏振下，光信號(hào)從左側(cè)波導(dǎo)處正向輸入時(shí)，可在PC1內(nèi)沿著Г-X方向傳播，到達(dá)異質(zhì)交界面處均會(huì)出現(xiàn)部分反射；而大部分的光信號(hào)則發(fā)生折射進(jìn)入到PC2內(nèi)，然后經(jīng)由PC2從右側(cè)波導(dǎo)處輸出，如圖3(a)和3(c)所示。光信號(hào)從右側(cè)波導(dǎo)處反向輸入時(shí)，對(duì)于TE偏振，光信號(hào)可在PC2內(nèi)傳播，并到達(dá)異質(zhì)交界面處發(fā)生全反射，無法通過該交界面進(jìn)入PC1內(nèi)。對(duì)于TM偏振，光波在輸入位置其傳播幾乎被阻止。

圖3 a=600 nm，r=140 nm，λ=1 550 nm時(shí)的電場(chǎng)圖Fig.3 When a=600 nm, r=140 nm, λ=1 550 nm, electric field

為了能更深入地說明該異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙偏振態(tài)的光信號(hào)單向傳輸機(jī)理，計(jì)算了光子晶體PC1和PC2的TE和TM偏振能帶結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)為PC1的TE偏振能帶結(jié)構(gòu)，圖4(b)為PC2的TE偏振能帶結(jié)構(gòu)，圖4(c)為PC1的TM偏振能帶結(jié)構(gòu)，圖4(d)為PC2的TM偏振能帶結(jié)構(gòu)。

對(duì)于TE偏振，圖2(a)中峰值范圍在波長(zhǎng)1 548～1 596 nm，對(duì)應(yīng)頻率為0.376a/λ～0.388a/λ，在Г-X方向PC1和PC2均為導(dǎo)帶，證實(shí)了正向輸入時(shí)，該頻段光信號(hào)能從異質(zhì)結(jié)構(gòu)右側(cè)輸出；反向輸入時(shí)，由于PC2在Г-X方向上是導(dǎo)帶，所以光信號(hào)能夠進(jìn)入PC2內(nèi)，并在異質(zhì)交界面處發(fā)生了全反射，其傳輸方向被改變無法進(jìn)入PC1.

對(duì)于TM偏振，圖2(b)中的峰值范圍在波長(zhǎng)1 515～1 626 nm，對(duì)應(yīng)頻率為0.369a/λ～0.396a/λ；此時(shí)PC1在Г-X方向?yàn)閷?dǎo)帶，而PC2則存在0.38a/λ～0.408a/λ的Г-X方向上禁帶，其他方向是導(dǎo)帶。正向輸入時(shí)，光信號(hào)可經(jīng)由PC1傳播到達(dá)異質(zhì)交界面處后發(fā)生了折射，其傳播方向不再沿Г-X方向；此時(shí)對(duì)于PC2來說該頻段的光信號(hào)處于非Г-X方向上的導(dǎo)帶，因此可以在PC2內(nèi)傳播并在異質(zhì)結(jié)構(gòu)右側(cè)輸出。反向輸入時(shí)，因PC2在Г-X方向的禁帶特性，其頻段的光信號(hào)無法進(jìn)入PC2.但是在圖2(b)中，0.38a/λ～0.408a/λ兩側(cè)頻段的光信號(hào)仍出現(xiàn)了單向傳輸現(xiàn)象，只是其插入損耗略高。由此可見，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的單向傳輸，并不再限制于結(jié)構(gòu)的方向能帶特性。對(duì)于PC2，無論在Г-X方向是禁帶還是導(dǎo)帶，光信號(hào)正向輸入時(shí)都可輸出，反向輸入時(shí)會(huì)發(fā)生全反射或因其禁帶作用而被阻止。

在異質(zhì)交界面處引入全反射，實(shí)現(xiàn)了光通信1 550 nm附近的光信號(hào)單向傳輸，不僅對(duì)結(jié)構(gòu)的方向能帶要求不高，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，而且能實(shí)現(xiàn)TE，TM偏振態(tài)下的單向傳輸，但其插入損耗還有待降低。

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3.1 擴(kuò)大結(jié)構(gòu)周期

為了能降低結(jié)構(gòu)的插入損耗、提高對(duì)比度，將結(jié)構(gòu)周期整體擴(kuò)大為原來的兩倍，其TE和TM偏振的插入損耗和回波損耗如圖5所示，其中圖5(a)為TE偏振插入損耗、回波損耗及對(duì)比度，圖5(b)為TM偏振插入損耗和回波損耗。

對(duì)于TE偏振，在圖5(a)中，峰值位于1 545.22～1 590.43 nm范圍內(nèi)時(shí)，插入損耗大約為2.3 dB，回波損耗為24.4 dB，對(duì)比度為162，單向傳輸范圍為1 450～2 000 nm，帶寬約為550 nm.

對(duì)于TM偏振，在圖5(b)中，峰值位于1 502.51～1 633.88 nm范圍內(nèi)時(shí)，插入損耗約為0.73 dB，回波損耗為22.3 dB，對(duì)比度為144，單向傳輸范圍位于1 400～1 922.2 nm，帶寬約為522 nm.

3.2 輸出波導(dǎo)寬度

結(jié)構(gòu)周期的擴(kuò)大可以引起插入損耗的減小，而光信號(hào)在輸出波導(dǎo)位置存在一定寬度的發(fā)散。因此在周期擴(kuò)大的基礎(chǔ)上，還可以通過增加輸出波導(dǎo)寬度來減小插入損耗，計(jì)算了TM和TE偏振的插入損耗、回波損耗及對(duì)比度，如圖6所示。其中圖6(a)為TE偏振插入損耗和回波損耗，圖6(b)為TM偏振插入損耗和回波損耗。

TE偏振下，在圖6(a)中，1 451.5～2 000 nm出現(xiàn)了單向傳輸，帶寬約為550 nm，插入損耗最低可達(dá)1 dB，回波損耗為31.8 dB，對(duì)比度為1 202，峰值位于1 553.25～1 586.21 nm之間，寬度約為33 nm，插入損耗均低于1.7 dB，實(shí)現(xiàn)了TE偏振下的1 550 nm附近的低插入損耗、高對(duì)比度的單向傳輸。

TM偏振下，在圖6(b)中，單向傳輸范圍位于1 400～1 950 nm，帶寬約為550 nm，最低插入損耗可達(dá)0.6 dB，回波損耗低于40.7 dB，對(duì)比度為10 233，峰值位于1 498.75～1 607.53 nm之間，插入損耗小于2 dB，實(shí)現(xiàn)了TM偏振下1 550 nm附近的高對(duì)比度的光信號(hào)單向傳輸。

圖6 插入損耗和回波損耗Fig.6 Insertion loss and return loss

4 結(jié)論

將全反射耦合應(yīng)用到光子晶體異質(zhì)交界面中，實(shí)現(xiàn)了光通信中心1 550 nm附近光信號(hào)的單向傳輸。通過對(duì)電場(chǎng)圖及能帶結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，證實(shí)了由于界面處全反射的作用，降低了結(jié)構(gòu)對(duì)光子晶體方向能帶特性的要求，不僅便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且通過對(duì)結(jié)構(gòu)周期和輸出波導(dǎo)寬度的優(yōu)化，使得TM和TE偏振的光信號(hào)單向傳輸效果得以增強(qiáng)，其最低插入損耗峰值范圍也有所拓寬，實(shí)現(xiàn)了TM和TE偏振下光通信1 550 nm波段、帶寬約為550 nm的光信號(hào)單向傳輸。