光子晶体非线性效应全光开关研究

郭 延，朱建峰，张 含，冯云鹏，程灏波

(北京理工大学 深圳研究院，广东 深圳 518057)

光子技术以其在带宽、容量和可并行处理等方面的优点，逐步显示出巨大优势。在通信方面，光纤光缆通信已逐步替代电缆通信；存储方面，已有的光盘代替了磁盘；还有正在研究的全息存储技术，都显示出极大的优越性。但是在信息处理的逻辑计算和通信的全光网络方面，仍然是电子技术占据着信息调制的主导地位，主要原因在于目前还没有实用性的全光开关和全光逻辑门[1]。全光开关的商业商品化也成为了目前全光网络发展的瓶颈所在。与传统电子技术相类比，全光开关相当于电子技术中的晶体管，要求全光开关通过控制光，实现对信号光的调制，且不涉及其他能量形式的转换。全光开关目标要求控制光功率与信号光功率相近或者远小于信号光，开关的反应速度更快，可以达到皮秒数量级[2]。全光开关要求用光调制光，但是由于光子间的相互作用极弱，不易实现光子对光子的控制，所以全光开关的实现就需要利用非线性光学来处理，这也成为了全光开关发展的一个难点。光开关的设计研究已经进行了多年，积累了丰富的经验[3]。例如需要通过外加能量源改变材料特性的电光开关[4]和热光开关，另外还有利用声波控制反应速度达到ns级别的声光开关。目前全光开关的类型主要可以分为纳米光子学型、非线性干涉仪型、光学双稳态型，其中纳米光子学型全光开关主要包括：纳米波导共振环型、光子晶体型、表面等离激元型3种类型，光子晶体型[5-7]和表面等离激元具有明显优势[8]；非线性干涉仪型全光开关主要包括两种类型：非线性光纤光栅型、光放大型[8]；光学双稳态全光开关主要包括折射型和反射型两种[9,10]。其中纳米光子学全光开关具有体积小巧、反应速度快等优点，成为目前研究的主要方向，特别是光子晶体，经过多年的探索，研究光子晶体的方法和技术日渐成熟。

目前谐振腔和波导耦合结构是全光开关以及全光逻辑门一个重要的研究方向。通过大量的研究，全光开关的实际应用必须降低控制光的功率，以实现利用功率等于甚至低于信号光的控制光，对信号光进行调制。本文主要对纳米光子学型中的光子晶体型全光开关进行研究,讨论了在四方晶系结构中设计的波导与谐振腔耦合的全光开关。

1 四方晶系波导与谐振腔耦合模型

1.1 简单3×3型谐振腔耦合

在光子晶体结构内，通过剔除介质柱引入一个线缺陷，形成一个直波导，然后在直波导的一侧引入一个谐振腔，如图1所示，主要对四方晶格光子晶体中引入3×3型光子晶体谐振腔进行设计优化。

通过以上分析可以知道，该结构谐振器可以与波导耦合设计全光开关。本文设计了如图4所示的波导与谐振腔耦合型的全光开关结构，并对其进行了模拟仿真计算。入射波长为第三光通信波长1.55 μm，将A端口设置为信号光入射端口，B端口设置为信号光出射端口，同时A端口也为控制光入射端口。当没有控制光入射时，该光子晶体介质柱折射率为3.1，1.55 μm波长的少量入射光进入谐振腔后不会发生谐振，所以大部分光波从B端口出射。Ey电场分量分布如图5所示，监测器可以监测到，输出端输出达到稳定时，其值为0.7，输入值为1，规定输入为0.6以上可以看作逻辑1，0.2及以下看作逻辑0，所以可以看作开关导通。

图4 波导谐振耦合结构示意图

图5开关开启状态

当增大入射光强后，强光入射导致介质柱折射率增大，当 Δn=0.03时，谐振腔的谐振波长包括1.55 μm，从而波导中传输的信号光会耦合进入谐振腔，并且只有极少的信号光会泄出，输出端检测到的光波功率≤0.1，可以看作逻辑0，从而达到对信号光截断的目的。

对比该光子晶体全光开关的两种状态结果图(见图6)可知，当入射光强较低时，介质柱的有效折射率为3.1，光波大部分通过直波导出射，可以认为开关处于导通状态；当加大入射光强时，即信号光和控制光同时入射，由于非线性克尔效应的影响，使得介质的有效折射率增到3.17，导致谐振腔的谐振波长同样发生变化，入射的光波大部分局限在谐振腔内，只有部分光波出射，可以认为达到了开关的关闭功能，而且该开关的该结构尺寸大约为50.094 μm2。虽然该结构实现了光开关的功能特性，但是开启和截断状态性能有待提高，所以在此基础上对开关的结构进行修改优化。

图6开关关闭状态

1.2 圆角3×3型谐振腔耦合

在简单谐振腔的4个内角上添加介质柱(蓝色部分)来减小散射损耗，以提高Q值。如图7所示，通过调节光子晶体的结构参数，得到该结构中晶格常数为0.52 μm，介质填充比为0.2，介质同为三阶非线性克尔材料，其线性折射率仍为3.1。

图7 圆角谐振腔光开关结构示意图

当光强较弱、有效折射率为3.1时，边界同样设置为完全匹配层，用时域有限差分法对该开关结构进行计算分析，得到如图8所示的结果。

图8光开关开启状态

该材料的克尔系数为9.0×10-17m2/W，当控制光与信号光同时入射时，也可以认为增大入射光强，有效折射率增大为3.17。通过利用FDTD进行计算，得到了如图9所示的结果。

从图9(a)可以直观得到，光波从左侧入射，在经过谐振腔时，光波耦合进谐振腔，并且此时谐振腔的耦合波长为1.55 μm，所以光波全部在谐振腔内发生谐振并产生驻波，只有极少量的光波会从右端口出射，可以认定为处于光开关的关闭状态，实现了全光开关的关闭功能。通过FDTD计算仿真该结构的光子晶体全光开关，可以看出通过添加4个散射柱，使得光子晶体全光开关的性能得到提升，对比图5和8可以看出，开启状态下，光波的通过率得到了极大的提高，对比图6和图9，可以看出在开关关闭状态下，该光子晶体全光开关的输出端的输出光波一定程度上降低，总体性能得到了提升，该结构的尺寸大约为51.48 μm2。通过基于四方光子晶体设计了二种结构的全光开关，经过对比可以发现，通过添加散射柱和添加波导可以使得开关性能得到一定程度的改善。

图9光开关关闭状态

2 总结

本文利用平面波展开法与超原胞技术相结合的方法，对光子晶体结构的能带分布进行研究，对其禁带特性进行分析。利用时域有限差分法与快速傅里叶变换相结合,对电磁场在光子晶体中的传播进行计算，可以得到电磁场在光子晶体内传播时电场和磁场的分布图像。首先利用平面波展开法对光子晶体结构的禁带特性和局域特性与介质折射率和填充比的关系进行探究，通过对结果的分析，确定光子晶体的主要结构参数，依据该结构参数设计光开关结构。然后利用时域有限差分法与快速傅里叶变换对设计的全光开关模拟仿真，分析其传输特性，并根据仿真结果对光开关结构进行修改优化。通过对几种光子晶体的能带特性分析，确定了以四方晶系为结构基础进行全光开关的设计研究。主要在四方晶系结构基础上设计了波导与谐振腔耦合的全光开关结构，用时域有限差分法进行模拟仿真，对电磁场分布图进行了研究。然后又在此基础上对结构进行了设计优化，使开关的性能得到了提升。