簡述改善光子晶體光開關性能的幾種途徑

1、 簡述改善光子晶體光開關性能的 幾種途徑 劉道柳 （華南理工大學物理與光電學院，廣東 廣州 510640）1光子晶體綜述光子晶體也稱光子帶隙材料，是高介電常數(shù)和低介電常數(shù)在空間呈周期性排列而成的人工晶體。其晶格常數(shù)和波長在同一量級，頻率落入光子帶隙中的電磁波，由于強烈的布拉格散射效應，將全被光子晶體全部反射而不能穿過光子晶體內部，因而光子帶隙中的光子態(tài)密度為零，依據其與光子傳播的方向性間的關系，可將其分為完全帶隙光子晶體和不完全帶隙光子晶體1。由光子晶體的能帶結構分析可知2，光子晶體中存在著光子能隙，正是由于這種光子能隙的出現(xiàn)，為光子晶體帶來了廣闊的應用前景：利用光子晶體具有光子能隙這一基本性

2、質，可以將光子晶體作為天線的基底，把光子晶體設計成能使天線發(fā)射的電磁波的頻率位于其光子能隙中，這樣光子晶體能反射天線發(fā)射的微波，不吸收電磁波的能量，可以大大提高了平面微波天線的發(fā)射效率，從而做成極低損耗的微波天線以及光子晶體全反射鏡3；利用光子能隙對原子自發(fā)輻射的抑制作用，可以大大降低自發(fā)躍遷而導致復合的幾率，從而降低激光器的截止電流和閾值，可制成低閾值的光子晶體激光器和高性能的光子晶體激光二極管4。對光子晶體而言，其另一主要特性是光子局域。由John在1987 年提出。在經過精心設計的無序介電材料組成的超晶格中，光子呈現(xiàn)出很強的Anderson 局域性。通過在光子晶體中引入缺陷6 ,使得光子

3、禁帶中產生帶寬極窄的缺陷，一旦其偏離缺陷處光就將迅速衰減，這樣可以制造高性能的光子晶體光過濾器以及低損耗光子晶體光濾導；如果引入的缺陷是點缺陷,利用點缺陷可將光“俘獲”在某一個特定的位置，理論上光無法從任何一個方向向外傳播，就可制成高品質因子的光子晶體諧振腔。2 光子晶體光開關機器性能優(yōu)化由于光子晶體在控制光的運動和光學集成等方面具有獨特的優(yōu)勢，將光子晶體引入到光控領域是提高光控光開關性能的一個重要途徑?？蒲腥藛T在理論上進行了深入的研究，提出了各種光子晶體光控光開關的機理。并在實驗上進行積極的探索。由于光子晶體全光開關實現(xiàn)機理的多樣性，本文獻在此只針對基于各向同性介質中，利用三階非線性效應實現(xiàn)

4、開關功能的理論模型做一定的歸納，同時總結出幾點能夠優(yōu)化全光開關性能的方法。2.1 增大微諧振腔Q值 全光開光一直是通信窗口信號鏈路交換的重要器件，上世紀末前沿科學家們便就此展開了研究探索工作，取得了相應的進展。Takasumi Tanabe等人于2005提出了他們所設計的光開關模型，并詳細闡述了設計該模型的動機以及優(yōu)勢所在7。在材料一定的情況下，非線性系數(shù)可是認為是不變的，為了獲得顯著的非線性效應，只能采取加強局域態(tài)特性也就是增加諧振腔的光強的措施，而微腔中光強是與光子的態(tài)密度成正比的，所以可以通過品質因子Q與相應微腔模體積的比值來衡量光強參數(shù)。Q/V2的值越大，意味著諧振腔的諧振頻譜線性越狹

5、窄，從而較小的頻移量就可以產生比較大的消光比，這正是衡量光開關性能一項不可忽略的參數(shù)12。再者，這樣的高比值同樣可以降低開關功率。Takasumi Tanabe等人通過調節(jié)波導輸入/輸出端靠近微腔一側介質柱半徑的方法，當微腔由3點缺陷組成時，其理論品質因子可達到18400；當微腔由4點缺陷組成時，微腔內存在兩個諧振模式，品質因子分別為11500和23000。至此，能夠通過FDTD仿真的方法逐步掃描出開關功率以及響應時間。在四點缺陷組成微腔的情形下，選取諧振波長較小者作為控制光模式，泵浦光相對于模式主峰的偏移量設定為-0.45nm，而探測光頻移量趨于零。通過一系列仿真計算得出響應速度50ps，開

6、關損耗能量100fJ，消光比10dB7。 鑒于大多數(shù)材質只具有及微弱的三階非線性系數(shù)，一般在10-610-4um/W的數(shù)量級，科研工作者一直在摸索更加合理的光子晶體結構布局，以期待獲得較大的Q值。眾多科學家們圍繞這個話題展開了富有創(chuàng)意的研究。早在2005年，Yoshihiro Akahane8等人便在他們發(fā)表的論文中提出了利用通過抑制垂直方向輻射的方法來增強微腔的局域性能，并系統(tǒng)的闡述了其理論依據。在所建立的模型中，忽略光子吸收效應時，Q值的大小主要取決于微腔內部以及外部反射損耗，當腔長遠大于波長時，可利用射線光學內容來分析，而對于腔長較小的微腔而言，微腔中的光主要以駐波的形式存在，可以利用波

7、矢K來分析，如圖1所示，該結構在入射波平面利用布拉格反射對其進行局限，在垂直平面利用空氣覆蓋層對其進行局限。 圖1 微腔理論分析模型簡短地說：存在于諧振微腔中的電磁場量是波長為的正弦波，并且其包絡是受到微腔結構參數(shù)調制的。為了抑制輻射損耗，應該適當?shù)卣{節(jié)微腔周邊介質柱的相關參數(shù)，使得腔中波形的包絡邊緣趨于平緩。 圖2 微腔內駐波波形 如上圖所示，結合文獻中的相關論證，擁有右邊波形的微腔Q值明顯高于左端。最近T. Fathollahi Khalkhali等人利用聚苯乙烯填充空氣微腔的方法，更是獲得了高達Q=25000的品質因子，其模型如下所示9：主要特征是該微腔是一個具有非線性的微腔。 圖3 聚

8、苯乙烯填充微腔結構示意圖2.2 引入光學雙穩(wěn)態(tài) 在非線性介質中，介質的折射率會隨著光強的改變而變化，暫且用N2總體表征非線性系數(shù)，那么介質的有效折射率為： Neff=N0+N2I （2.1.1）其中N0為初始狀態(tài)介質的折射率，I為光強。我們可以利用上式中N2地實部表征Kerr效應，虛部表征雙光子吸收（TPA）效應。 光學雙穩(wěn)態(tài)是指光學系統(tǒng)在一定的輸入范圍內對給定的輸入存在兩種可能的輸出狀態(tài)的現(xiàn)象10,11。值得注意的是，這兩種狀態(tài)是可以相互切換。譬如對光開關而言，輸入輸出光強呈現(xiàn)如下圖所示的滯后回線。光學雙穩(wěn)態(tài)存在的必要條件是系統(tǒng)同時具有光學非線性以及反饋機制兩個因素，并且光源失諧量必須滿足雙

9、穩(wěn)態(tài)條件： （2.1.2） （2.1.3）其中為諧振頻率，為光源頻率。 圖4 雙穩(wěn)態(tài)滯后回線示意圖 引入光學雙穩(wěn)態(tài)之后，由于正負反饋的存在，使得全光開關能表現(xiàn)出更快的開關速度（基于切換前的正反饋），更高的消光比以及更低的開關能量。在利用雙穩(wěn)態(tài)機制設計光開關時，可以援引文獻12來直觀地說明其工作機理。通過相應的設計模擬得出諧振頻譜之后，通過FDTD仿真掃描方法，逐步確定最佳的頻移量，以及相應的開關時間和切換過程所消耗的能量。 圖5 光子晶體結構示意圖 在如上圖所示的PCs結構中，其諧振頻譜擁有兩個峰值，即存在兩個諧振模式，中心頻率為別位于1568.7 nm和 1535nm。稱前者為A模，后者為B

10、模，可以選取A模作為泵浦模式，B模作為探測模式。非線性效應會導致諧振頻譜的整體移動，從而引起透過率的跳變，便完成了開關狀態(tài)的切換作業(yè)。 圖6 微腔諧振模式示意圖2.3利用高非線性系數(shù)材料目前提高光子晶體光開關性能的主要瓶頸，在于介質與光子間微弱的非線性相互作用以及不夠理想的光子局域性13。在第一節(jié)已經闡述了適當?shù)卣{節(jié)微腔相關參數(shù)來改善Q值的理論，這一節(jié)主要分析高非線性系數(shù)材料。除了前問闡述的可以利用聚合物來作為填充微腔介質之外，受益于現(xiàn)在的制備工藝，聚合物本身便可用來制備光子晶體14。并且聚合物本身具有比Si等傳統(tǒng)基底介質更高的非線性系數(shù)，因為可以大大改善光開關的性能。Ye Liu以及 Fei

11、 Qin等人通過聚苯乙烯光子晶體設計，實現(xiàn)了開關時間低至10fs的全光開關15，這種優(yōu)異的性能與聚苯乙烯的Kerr系數(shù)是密切相關的，理論上它能比Si等常規(guī)材料高出兩個數(shù)量級，達到10-2cm/W。參考文獻： 1 顧清媛.光子晶體光控光開關的研究D.南京師范,2009.DOI:10.7666/d.d182767 2 Li-Hsiang, Wang;, Su-Hua, Yang. Nano Photoelectric Material Structures - Photonic CrystalsJ. Advanced Materials Research , 2013, 677(1): 9-1 3

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