光子晶體非線性效應全光開關研究

郭 延，朱建峰，張 含，馮云鵬，程灝波

(北京理工大學 深圳研究院，廣東 深圳 518057)

光子技術以其在帶寬、容量和可并行處理等方面的優(yōu)點，逐步顯示出巨大優(yōu)勢。在通信方面，光纖光纜通信已逐步替代電纜通信；存儲方面，已有的光盤代替了磁盤；還有正在研究的全息存儲技術，都顯示出極大的優(yōu)越性。但是在信息處理的邏輯計算和通信的全光網絡方面，仍然是電子技術占據著信息調制的主導地位，主要原因在于目前還沒有實用性的全光開關和全光邏輯門[1]。全光開關的商業(yè)商品化也成為了目前全光網絡發(fā)展的瓶頸所在。與傳統(tǒng)電子技術相類比，全光開關相當于電子技術中的晶體管，要求全光開關通過控制光，實現對信號光的調制，且不涉及其他能量形式的轉換。全光開關目標要求控制光功率與信號光功率相近或者遠小于信號光，開關的反應速度更快，可以達到皮秒數量級[2]。全光開關要求用光調制光，但是由于光子間的相互作用極弱，不易實現光子對光子的控制，所以全光開關的實現就需要利用非線性光學來處理，這也成為了全光開關發(fā)展的一個難點。光開關的設計研究已經進行了多年，積累了豐富的經驗[3]。例如需要通過外加能量源改變材料特性的電光開關[4]和熱光開關，另外還有利用聲波控制反應速度達到ns級別的聲光開關。目前全光開關的類型主要可以分為納米光子學型、非線性干涉儀型、光學雙穩(wěn)態(tài)型，其中納米光子學型全光開關主要包括：納米波導共振環(huán)型、光子晶體型、表面等離激元型3種類型，光子晶體型[5-7]和表面等離激元具有明顯優(yōu)勢[8]；非線性干涉儀型全光開關主要包括兩種類型：非線性光纖光柵型、光放大型[8]；光學雙穩(wěn)態(tài)全光開關主要包括折射型和反射型兩種[9,10]。其中納米光子學全光開關具有體積小巧、反應速度快等優(yōu)點，成為目前研究的主要方向，特別是光子晶體，經過多年的探索，研究光子晶體的方法和技術日漸成熟。

目前諧振腔和波導耦合結構是全光開關以及全光邏輯門一個重要的研究方向。通過大量的研究，全光開關的實際應用必須降低控制光的功率，以實現利用功率等于甚至低于信號光的控制光，對信號光進行調制。本文主要對納米光子學型中的光子晶體型全光開關進行研究,討論了在四方晶系結構中設計的波導與諧振腔耦合的全光開關。

1 四方晶系波導與諧振腔耦合模型

1.1 簡單3×3型諧振腔耦合

在光子晶體結構內，通過剔除介質柱引入一個線缺陷，形成一個直波導，然后在直波導的一側引入一個諧振腔，如圖1所示，主要對四方晶格光子晶體中引入3×3型光子晶體諧振腔進行設計優(yōu)化。

通過以上分析可以知道，該結構諧振器可以與波導耦合設計全光開關。本文設計了如圖4所示的波導與諧振腔耦合型的全光開關結構，并對其進行了模擬仿真計算。入射波長為第三光通信波長1.55 μm，將A端口設置為信號光入射端口，B端口設置為信號光出射端口，同時A端口也為控制光入射端口。當沒有控制光入射時，該光子晶體介質柱折射率為3.1，1.55 μm波長的少量入射光進入諧振腔后不會發(fā)生諧振，所以大部分光波從B端口出射。Ey電場分量分布如圖5所示，監(jiān)測器可以監(jiān)測到，輸出端輸出達到穩(wěn)定時，其值為0.7，輸入值為1，規(guī)定輸入為0.6以上可以看作邏輯1，0.2及以下看作邏輯0，所以可以看作開關導通。

圖4 波導諧振耦合結構示意圖

圖5開關開啟狀態(tài)

當增大入射光強后，強光入射導致介質柱折射率增大，當 Δn=0.03時，諧振腔的諧振波長包括1.55 μm，從而波導中傳輸的信號光會耦合進入諧振腔，并且只有極少的信號光會泄出，輸出端檢測到的光波功率≤0.1，可以看作邏輯0，從而達到對信號光截斷的目的。

對比該光子晶體全光開關的兩種狀態(tài)結果圖(見圖6)可知，當入射光強較低時，介質柱的有效折射率為3.1，光波大部分通過直波導出射，可以認為開關處于導通狀態(tài)；當加大入射光強時，即信號光和控制光同時入射，由于非線性克爾效應的影響，使得介質的有效折射率增到3.17，導致諧振腔的諧振波長同樣發(fā)生變化，入射的光波大部分局限在諧振腔內，只有部分光波出射，可以認為達到了開關的關閉功能，而且該開關的該結構尺寸大約為50.094 μm2。雖然該結構實現了光開關的功能特性，但是開啟和截斷狀態(tài)性能有待提高，所以在此基礎上對開關的結構進行修改優(yōu)化。

圖6開關關閉狀態(tài)

1.2 圓角3×3型諧振腔耦合

在簡單諧振腔的4個內角上添加介質柱(藍色部分)來減小散射損耗，以提高Q值。如圖7所示，通過調節(jié)光子晶體的結構參數，得到該結構中晶格常數為0.52 μm，介質填充比為0.2，介質同為三階非線性克爾材料，其線性折射率仍為3.1。

圖7 圓角諧振腔光開關結構示意圖

當光強較弱、有效折射率為3.1時，邊界同樣設置為完全匹配層，用時域有限差分法對該開關結構進行計算分析，得到如圖8所示的結果。

圖8光開關開啟狀態(tài)

該材料的克爾系數為9.0×10-17m2/W，當控制光與信號光同時入射時，也可以認為增大入射光強，有效折射率增大為3.17。通過利用FDTD進行計算，得到了如圖9所示的結果。

從圖9(a)可以直觀得到，光波從左側入射，在經過諧振腔時，光波耦合進諧振腔，并且此時諧振腔的耦合波長為1.55 μm，所以光波全部在諧振腔內發(fā)生諧振并產生駐波，只有極少量的光波會從右端口出射，可以認定為處于光開關的關閉狀態(tài)，實現了全光開關的關閉功能。通過FDTD計算仿真該結構的光子晶體全光開關，可以看出通過添加4個散射柱，使得光子晶體全光開關的性能得到提升，對比圖5和8可以看出，開啟狀態(tài)下，光波的通過率得到了極大的提高，對比圖6和圖9，可以看出在開關關閉狀態(tài)下，該光子晶體全光開關的輸出端的輸出光波一定程度上降低，總體性能得到了提升，該結構的尺寸大約為51.48 μm2。通過基于四方光子晶體設計了二種結構的全光開關，經過對比可以發(fā)現，通過添加散射柱和添加波導可以使得開關性能得到一定程度的改善。

圖9光開關關閉狀態(tài)

2 總結

本文利用平面波展開法與超原胞技術相結合的方法，對光子晶體結構的能帶分布進行研究，對其禁帶特性進行分析。利用時域有限差分法與快速傅里葉變換相結合,對電磁場在光子晶體中的傳播進行計算，可以得到電磁場在光子晶體內傳播時電場和磁場的分布圖像。首先利用平面波展開法對光子晶體結構的禁帶特性和局域特性與介質折射率和填充比的關系進行探究，通過對結果的分析，確定光子晶體的主要結構參數，依據該結構參數設計光開關結構。然后利用時域有限差分法與快速傅里葉變換對設計的全光開關模擬仿真，分析其傳輸特性，并根據仿真結果對光開關結構進行修改優(yōu)化。通過對幾種光子晶體的能帶特性分析，確定了以四方晶系為結構基礎進行全光開關的設計研究。主要在四方晶系結構基礎上設計了波導與諧振腔耦合的全光開關結構，用時域有限差分法進行模擬仿真，對電磁場分布圖進行了研究。然后又在此基礎上對結構進行了設計優(yōu)化，使開關的性能得到了提升。