简述改善光子晶体光开关性能的几种途径

1、 简述改善光子晶体光开关性能的 几种途径 刘道柳 （华南理工大学物理与光电学院，广东 广州 510640）1光子晶体综述光子晶体也称光子带隙材料，是高介电常数和低介电常数在空间呈周期性排列而成的人工晶体。其晶格常数和波长在同一量级，频率落入光子带隙中的电磁波，由于强烈的布拉格散射效应，将全被光子晶体全部反射而不能穿过光子晶体内部，因而光子带隙中的光子态密度为零，依据其与光子传播的方向性间的关系，可将其分为完全带隙光子晶体和不完全带隙光子晶体1。由光子晶体的能带结构分析可知2，光子晶体中存在着光子能隙，正是由于这种光子能隙的出现，为光子晶体带来了广阔的应用前景：利用光子晶体具有光子能隙这一基本性

2、质，可以将光子晶体作为天线的基底，把光子晶体设计成能使天线发射的电磁波的频率位于其光子能隙中，这样光子晶体能反射天线发射的微波，不吸收电磁波的能量，可以大大提高了平面微波天线的发射效率，从而做成极低损耗的微波天线以及光子晶体全反射镜3；利用光子能隙对原子自发辐射的抑制作用，可以大大降低自发跃迁而导致复合的几率，从而降低激光器的截止电流和阈值，可制成低阈值的光子晶体激光器和高性能的光子晶体激光二极管4。对光子晶体而言，其另一主要特性是光子局域。由John在1987 年提出。在经过精心设计的无序介电材料组成的超晶格中，光子呈现出很强的Anderson 局域性。通过在光子晶体中引入缺陷6 ,使得光子

3、禁带中产生带宽极窄的缺陷，一旦其偏离缺陷处光就将迅速衰减，这样可以制造高性能的光子晶体光过滤器以及低损耗光子晶体光滤导；如果引入的缺陷是点缺陷,利用点缺陷可将光“俘获”在某一个特定的位置，理论上光无法从任何一个方向向外传播，就可制成高品质因子的光子晶体谐振腔。2 光子晶体光开关机器性能优化由于光子晶体在控制光的运动和光学集成等方面具有独特的优势，将光子晶体引入到光控领域是提高光控光开关性能的一个重要途径。科研人员在理论上进行了深入的研究，提出了各种光子晶体光控光开关的机理。并在实验上进行积极的探索。由于光子晶体全光开关实现机理的多样性，本文献在此只针对基于各向同性介质中，利用三阶非线性效应实现

4、开关功能的理论模型做一定的归纳，同时总结出几点能够优化全光开关性能的方法。2.1 增大微谐振腔Q值 全光开光一直是通信窗口信号链路交换的重要器件，上世纪末前沿科学家们便就此展开了研究探索工作，取得了相应的进展。Takasumi Tanabe等人于2005提出了他们所设计的光开关模型，并详细阐述了设计该模型的动机以及优势所在7。在材料一定的情况下，非线性系数可是认为是不变的，为了获得显著的非线性效应，只能采取加强局域态特性也就是增加谐振腔的光强的措施，而微腔中光强是与光子的态密度成正比的，所以可以通过品质因子Q与相应微腔模体积的比值来衡量光强参数。Q/V2的值越大，意味着谐振腔的谐振频谱线性越狭

5、窄，从而较小的频移量就可以产生比较大的消光比，这正是衡量光开关性能一项不可忽略的参数12。再者，这样的高比值同样可以降低开关功率。Takasumi Tanabe等人通过调节波导输入/输出端靠近微腔一侧介质柱半径的方法，当微腔由3点缺陷组成时，其理论品质因子可达到18400；当微腔由4点缺陷组成时，微腔内存在两个谐振模式，品质因子分别为11500和23000。至此，能够通过FDTD仿真的方法逐步扫描出开关功率以及响应时间。在四点缺陷组成微腔的情形下，选取谐振波长较小者作为控制光模式，泵浦光相对于模式主峰的偏移量设定为-0.45nm，而探测光频移量趋于零。通过一系列仿真计算得出响应速度50ps，开

6、关损耗能量100fJ，消光比10dB7。 鉴于大多数材质只具有及微弱的三阶非线性系数，一般在10-610-4um/W的数量级，科研工作者一直在摸索更加合理的光子晶体结构布局，以期待获得较大的Q值。众多科学家们围绕这个话题展开了富有创意的研究。早在2005年，Yoshihiro Akahane8等人便在他们发表的论文中提出了利用通过抑制垂直方向辐射的方法来增强微腔的局域性能，并系统的阐述了其理论依据。在所建立的模型中，忽略光子吸收效应时，Q值的大小主要取决于微腔内部以及外部反射损耗，当腔长远大于波长时，可利用射线光学内容来分析，而对于腔长较小的微腔而言，微腔中的光主要以驻波的形式存在，可以利用波

7、矢K来分析，如图1所示，该结构在入射波平面利用布拉格反射对其进行局限，在垂直平面利用空气覆盖层对其进行局限。 图1 微腔理论分析模型简短地说：存在于谐振微腔中的电磁场量是波长为的正弦波，并且其包络是受到微腔结构参数调制的。为了抑制辐射损耗，应该适当地调节微腔周边介质柱的相关参数，使得腔中波形的包络边缘趋于平缓。 图2 微腔内驻波波形 如上图所示，结合文献中的相关论证，拥有右边波形的微腔Q值明显高于左端。最近T. Fathollahi Khalkhali等人利用聚苯乙烯填充空气微腔的方法，更是获得了高达Q=25000的品质因子，其模型如下所示9：主要特征是该微腔是一个具有非线性的微腔。 图3 聚

8、苯乙烯填充微腔结构示意图2.2 引入光学双稳态 在非线性介质中，介质的折射率会随着光强的改变而变化，暂且用N2总体表征非线性系数，那么介质的有效折射率为： Neff=N0+N2I （2.1.1）其中N0为初始状态介质的折射率，I为光强。我们可以利用上式中N2地实部表征Kerr效应，虚部表征双光子吸收（TPA）效应。 光学双稳态是指光学系统在一定的输入范围内对给定的输入存在两种可能的输出状态的现象10,11。值得注意的是，这两种状态是可以相互切换。譬如对光开关而言，输入输出光强呈现如下图所示的滞后回线。光学双稳态存在的必要条件是系统同时具有光学非线性以及反馈机制两个因素，并且光源失谐量必须满足双

9、稳态条件： （2.1.2） （2.1.3）其中为谐振频率，为光源频率。 图4 双稳态滞后回线示意图 引入光学双稳态之后，由于正负反馈的存在，使得全光开关能表现出更快的开关速度（基于切换前的正反馈），更高的消光比以及更低的开关能量。在利用双稳态机制设计光开关时，可以援引文献12来直观地说明其工作机理。通过相应的设计模拟得出谐振频谱之后，通过FDTD仿真扫描方法，逐步确定最佳的频移量，以及相应的开关时间和切换过程所消耗的能量。 图5 光子晶体结构示意图 在如上图所示的PCs结构中，其谐振频谱拥有两个峰值，即存在两个谐振模式，中心频率为别位于1568.7 nm和 1535nm。称前者为A模，后者为B

10、模，可以选取A模作为泵浦模式，B模作为探测模式。非线性效应会导致谐振频谱的整体移动，从而引起透过率的跳变，便完成了开关状态的切换作业。 图6 微腔谐振模式示意图2.3利用高非线性系数材料目前提高光子晶体光开关性能的主要瓶颈，在于介质与光子间微弱的非线性相互作用以及不够理想的光子局域性13。在第一节已经阐述了适当地调节微腔相关参数来改善Q值的理论，这一节主要分析高非线性系数材料。除了前问阐述的可以利用聚合物来作为填充微腔介质之外，受益于现在的制备工艺，聚合物本身便可用来制备光子晶体14。并且聚合物本身具有比Si等传统基底介质更高的非线性系数，因为可以大大改善光开关的性能。Ye Liu以及 Fei

11、 Qin等人通过聚苯乙烯光子晶体设计，实现了开关时间低至10fs的全光开关15，这种优异的性能与聚苯乙烯的Kerr系数是密切相关的，理论上它能比Si等常规材料高出两个数量级，达到10-2cm/W。参考文献： 1 顾清媛.光子晶体光控光开关的研究D.南京师范,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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