一种用于光片上网络的光子晶体三通道全光开关

1.本发明涉及光片上网络技术领域，具体涉及一种用于光片上网络的光子晶体三通道全光开关。


背景技术：

2.全光交换技术主要依赖光开关等器件，是未来光网络的发展趋势。传统光开关的响应速度不能满足现代光网络的要求。光控型光开关的开关速度虽然能够实现皮秒量级响应，但是采用现代手段制备的全光开关不仅体积比较大而且实验条件苛刻。光子晶体光开关有着无与伦比的优点，其中研究较成熟的是基于硅基的光子晶体光开关，但是要想更好实现开关效应，就要作用足够长距离或更高功率的激光。因此寻找更高非线性、响应速度更快的材料是未来光子晶体光开关研究的重点。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的是现有光开关非线性程度不够高，响应速度不够快且尺寸较大的问题，提供一种用于光片上网络的光子晶体三通道全光开关。
4.为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
5.一种用于光片上网络的光子晶体三通道全光开关，由正方晶格圆形介质柱结构的二维光子晶体构成；该二维光子晶体上设有3个光子晶体波导、3个光子晶体谐振腔、3个输入波导和3个输出波导；每个光子晶体波导均由二维光子晶体同一行中部处的左侧的连续至少3个介质柱、中间连续移除的至少1个介质柱和右侧连续的至少3个介质柱所组成；左侧的连续至少3个介质柱与右侧连续的至少3个介质柱的尺寸呈镜像对称；3个光子晶体波导在二维光子晶体的行向长度相同，且3个光子晶体波导在二维光子晶体的列向上位置相对；3个光子晶体波导分别位于二维光子晶体的上部、中部和下部，且每2个光子晶体波导之间在二维光子晶体上至少间隔3行；每个光子晶体谐振腔均由二维光子晶体同一行中部处的连续至少7个介质柱所组成；3个光子晶体谐振腔在二维光子晶体的行向长度大于等于对应的3个光子晶体波导在二维光子晶体的行向长度，且3个光子晶体谐振腔在二维光子晶体的列向上位置相对；3个光子晶体谐振腔分别与对应的3个光子晶体波导在二维光子晶体上间隔一行，并位于对应光子晶体波导的正上方；每个输入波导均由二维光子晶体同一行从光子晶体波导的左侧至二维光子晶体的左边缘处连续移除至少1个介质柱所组成；3个输入波导分别与对应的3个光子晶体波导处于二维光子晶体的同一行，并位于对应光子晶体波导的左侧；每个输出波导均由二维光子晶体同一行从光子晶体波导的右侧至二维光子晶体的右边缘处连续移除至少1个介质柱所组成；3个输出波导分别与对应的3个光子晶体波导处于二维光子晶体的同一行，并位于对应光子晶体波导的右侧。
6.上述方案中，对于每个光子晶体波导，其左侧的连续至少3个介质柱的最左侧的1个介质柱和最右侧的1个介质柱的半径相等，且小于中间的介质柱的半径；其右侧的连续至少3个介质柱的最左侧的1个介质柱和最右侧的1个介质柱的半径相等，且小于中间的介质
柱的半径。
7.上述方案中，对于3个光子晶体波导同一列上的介质柱，其半径各不相同。
8.上述方案中，二维光子晶体上的3个光子晶体谐振腔的介质柱的半径大于二维光子晶体上除3个光子晶体波导的介质之外的其余的介质柱的半径。
9.上述方案中，3个光子晶体谐振腔的介质柱的半径相等。
10.上述方案中，二维光子晶体上3个光子晶体波导的介质柱由ge
20
sn
10
se
70
制成，二维光子晶体上其余的介质柱由si制成。
11.与现有技术相比，本发明具有如下特点：
12.1、本发明仅在正方晶格圆形介质柱结构的二维光子晶体的基础上上进行介质柱的删减和介质柱尺寸的设计，并未进行介质柱的增加，且大部分介质柱的结构参数都相同，在实际制作时比较方便；
13.2、本发明采用硫系玻璃ge
20
sn
10
se
70
和半导体材料si制成，利用具有较高三阶非线性折射率系数的ge
20
sn
10
se
70
硫系玻璃，实现了工作波长通信波段的光子晶体光开关。
14.3、本发明的光开关信号包含了光通信系统的“e s c”波段，且3个光开关通道的透光率在95％到99％之间，且本发明的尺寸大小仅为67.24μm2，消光比高达27db；
15.4、本发明具有结构简单、尺寸小和消光比高、品质因数大的特点。
附图说明
16.图1为一种用于光片上网络的光子晶体三通道全光开关的结构示意图。
17.图2为3个光开关通道“开”状态的透射谱；其中(a)为上部光开关通道，(b)为中部光开关通道，(c)为下部光开关通道。
18.图3为在上部光开关通道“开”状态和“关”状态的光场分布图；其中(a)为1491.4nm波长“开”状态，(b)为1491.4nm波长“关”状态。
19.图4为中部光开关通道“开”状态和“关”状态的光场分布图；其中(a)为1531.4nm波长“开”状态，(b)为1531.4nm波长“关”状态。
20.图5为下部光开关通道“开”状态和“关”状态的光场分布图；其中(a)为1430.88nm波长“开”状态，(b)为1430.88nm波长“关”状态。
21.图中标识：1、上部输入波导；2、中部输入波导；3、下部输入波导；4、上部输出波导；5、中部输出波导；6、下部输出波导；7、上部光子晶体谐振腔；8、中部光子晶体谐振腔；9、下部光子晶体谐振腔；10、上部光子晶体波导；11、中部光子晶体波导；12、下部光子晶体波导。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
23.参见图1，一种用于光片上网络的光子晶体三通道全光开关，由正方晶格圆形介质柱结构的二维光子晶体构成，即该二维光子晶体由多个圆形的介质柱呈规则矩阵排列而成。在本发明优选实施例中，二维光子晶体整体结构为17
×
17个介质柱。二维光子晶体的背景材料为空气。二维光子晶体上设有3个光子晶体波导、3个光子晶体谐振腔、3个输入波导和3个输出波导。
24.每个光子晶体波导均由二维光子晶体同一行中部处的左侧的连续4个介质柱、中间连续移除的3个介质柱和右侧连续的4介质柱所组成。左侧的连续4个介质柱与右侧连续的4个介质柱的尺寸呈镜像对称。对于每个光子晶体波导，其左侧的连续4个介质柱的最左侧的1个介质柱和最右侧的1个介质柱的半径相等，且小于中间的2个介质柱的半径，其右侧的连续4个介质柱的最左侧的1个介质柱和最右侧的1个介质柱的半径相等，且小于中间的2个介质柱的半径。对于3个光子晶体波导同一列上的介质柱，其半径各不相同，如上部光子晶体波导(10)的第1个介质柱、中部光子晶体波导(11)的第1个介质柱和下部光子晶体波导(12)的第1个介质柱的半径各不相同；上部光子晶体波导(10)的第2个介质柱、中部光子晶体波导(11)的第2个介质柱和下部光子晶体波导(12)的第2个介质柱的半径各不相同；
……
；上部光子晶体波导(10)的第8个介质柱、中部光子晶体波导(11)的第8个介质柱和下部光子晶体波导(12)的第8个介质柱的半径各不相同；由此形成3个不同的光子晶体波导。3个光子晶体波导在二维光子晶体的行向长度相同，且3个光子晶体波导在二维光子晶体的列向上位置相对。3个光子晶体波导分别位于二维光子晶体的上部、中部和下部，且每2个光子晶体波导之间在二维光子晶体上至少间隔3行。在本发明优选实施例中，上部光子晶体波导(10)位于二维光子晶体的第5行，中部光子晶体波导(11)位于二维光子晶体的第10行，下部光子晶体波导(12)位于二维光子晶体的第14行。
25.每个光子晶体谐振腔均由二维光子晶体同一行中部处的连续11个介质柱所组成。3个光子晶体谐振腔在二维光子晶体的行向长度大于等于对应的3个光子晶体波导在二维光子晶体的行向长度，且3个光子晶体谐振腔在二维光子晶体的列向上位置相对。3个光子晶体谐振腔分别与对应的3个光子晶体波导在二维光子晶体上间隔一行，并位于对应光子晶体波导的正上方。3个光子晶体谐振腔的介质柱的半径相等。二维光子晶体上的3个光子晶体谐振腔的介质柱的半径大于二维光子晶体上除3个光子晶体波导的介质之外的其余的介质柱的半径。
26.每个输入波导均由二维光子晶体同一行从光子晶体波导的左侧至二维光子晶体的左边缘处连续移除3个介质柱所组成。每个输入波导的最左端形成三通道光开关探测光的输入端。3个输入波导分别与对应的3个光子晶体波导处于二维光子晶体的同一行，并位于对应光子晶体波导的左侧。在本发明优选实施例中，上部输入波导(1)位于二维光子晶体的第5行，中部输入波导(2)位于二维光子晶体的第10行，下部输入波导(3)位于二维光子晶体的第14行。
27.每个输出波导均由二维光子晶体同一行从光子晶体波导的右侧至二维光子晶体的右边缘处连续移除3个介质柱所组成。每个输出波导的最右端形成三通道光开关探测光的输出端。3个输出波导分别与对应的3个光子晶体波导处于二维光子晶体的同一行，并位于对应光子晶体波导的右侧。在本发明优选实施例中，上部输出波导(4)位于二维光子晶体的第5行，中部输出波导(5)位于二维光子晶体的第10行，下部输出波导(6)位于二维光子晶体的第14行。
28.二维光子晶体上的3个光子晶体波导中的24个介质柱由硫系玻璃ge
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sn
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se
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制成，为pte介质柱。二维光子晶体上其余的265个介质柱由半导体材料si制成。对于介质柱半径为r的二维光子晶体，为了提高全光开关的性能，需要对3个光子晶体波导和3个光子晶体腔的介质柱尺寸进行调整。每个光子晶体波导的第1个、第4个、第5个和第8个介质柱的半径
小于等于r，每个光子晶体波导的第2个、第3个、第6个和第7个介质柱的半径且都大于等于r。每个光子晶体腔的11个介质柱的半径大于r。在本发明优选实施例中，非特殊介质柱的半径r＝0.2a，a是晶格常数即两个相邻介质柱圆心之间的距离，a＝500nm。特殊介质柱尺寸如表1所示：
29.表1
[0030][0031]
上部光子晶体波导(10)、上部光子晶体谐振腔(7)、上部输入波导(1)和上部输出波导(4)形成上部光开关通道g。中部光子晶体波导(11)、中部光子晶体谐振腔(8)、中部输入波导(2)和中部输出波导(5)形成中部通道光开关h。下部光子晶体波导(12)、下部光子晶体谐振腔(9)、下部输入波导(3)和下部输出波导(6)形成下部光开关通道i。基于光克尔(kerr)效应的存在，本发明可以在不同飞秒激光强度的作用下，使得基质材料的折射率和极化率发生改变，进而控制光开关中信号光的通断。工作中，我们利用超快激光脉冲诱导3个光子晶体波导中的介质柱的折射率改变，根据kerr效应可知，该材料的折射率会随着脉冲强度的增加而变大，微腔的谐振频率发生改变，大部分光波被反射回输入波导，从而实现了对入射光波的开关控制。下面通过控制上部通道的光开关g的输入端口a、中部通道的光开关h的输入端口b和下部通道的光开关i的输入端口c的泵浦能量实现控制三个通信波段光开关的“通断”的原理如下：
[0032]
当上部通道的光开关g的输入端口a、中部通道的光开关h的输入端口b和下部通道的光开关i的输入端口c无外加泵浦能量时，仅依靠信号光无法激发材料的克尔效应，光子晶体波导的介质柱接收到信号，上部通道的光开关g、中部通道的光开关h和下部通道的光开关i同时处于逻辑“开”。
[0033]
当上部通道的光开关g的输入端口a外加泵浦能量时，上部通道的光开关g中电荷发生偏移引起折射率的变化，谐振峰向长波方向偏移，将探测器设置在峰处，探测器接受到的信号从高透过率转为低透过率，上部通道的光开关g处于逻辑“关”，中部通道的光开关h和下部通道的光开关i处于逻辑“开”。同理，当中部通道的光开关h的输入端口b外加泵浦能量时，中部通道的光开关h处于逻辑“关”，上部通道的光开关g和下部通道的光开关i处于逻辑“开”。同理，当下部通道的光开关i的输入端口c外加泵浦能量时，下部通道的光开关i处于逻辑“关”，上部通道的光开关g和中部通道的光开关h处于逻辑“开”。
[0034]
当上部通道的光开关g的输入端口a、中部通道的光开关h的输入端口b和下部通道的光开关i的输入端口c同时增加泵浦能量时，上部通道的光开关g、中部通道的光开关h和下部通道的光开关i同时处于逻辑“关”。
[0035]
光子晶体谐振腔与其相对应光子晶体波导形成fano谐振腔。fano谐振是某些特定物理结构中存在的一种共振现象，它是由分立态和连续态发生相干叠加产生的。这种腔结
构减少了光的散射并且提高了腔的品质和fano共振的消光比。由于连续态的幅度受反射柱的影响，耦合距离影响腔与反射柱的耦合效果，因此，可通过优化结构参数(如调整光子晶体谐振腔的介质柱尺寸、改变pte介质柱的大小以及选择合适的光子晶体谐振腔与pte介质柱之间的距离)来改善光开关的性能。
[0036]
根据kerr效应，材料三阶非线性折射率系数与照射激光的光强有如下关系：
[0037]
n＝n0 n2i
[0038]
式中，n是随着光强变化，材料的折射率，n0是线性折射率，n2是三阶非线性折射率系数，i是照射激光的强度。由公式可知，当入射光波光强增大时，将会导致介质柱的折射率增大。且材料的三阶非线性折射率系数越大，所用照射激光强度越小。由于硫系玻璃ge
20
sn
10
se
70
在1300nm到1550nm附近的三阶非线性折射率系数为n2＝6.36
×
10-16
m2/w，具有极高的三阶非线性及超快的响应速度，因此硫系玻璃ge
20
sn
10
se
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对于实现高性能的光开关具有十分重要的意义，本发明利用具有较高三阶非线性折射率系数的ge
20
sn
10
se
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硫系玻璃，实现了工作波长通信波段的光子晶体光开关。
[0039]
图2为3个光开关通道“开”状态的透射谱；其中(a)为上部光开关通道，(b)为中部光开关通道，(c)为下部光开关通道。图3为在上部光开关通道“开”状态和“关”状态的光场分布图；其中(a)为1491.4nm波长“开”状态，(b)1491.4nm波长为“关”状态。图4为中部光开关通道“开”状态和“关”状态的光场分布图；其中(a)为1531.4nm波长“开”状态，(b)1531.4nm波长为“关”状态。图5为下部光开关通道“开”状态和“关”状态的光场分布图；其中(a)为1430.88nm波长“开”状态，(b)为1430.88nm波长“关”状态。由图2可以看出，该光子晶体三通道光开关在“开”状态时的透过率分别为98％、99％和97％，三通道光开关的消光比分别为25.48db，27.64db，22.23db阈值功率分别为9.43
×
108w/cm2、6.28
×
108w/cm2和9.28
×
108w/cm2，品质因子均达到104。由图3-5可以看出，该光子晶体三通道全光开关的应用效果。
[0040]
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。