專利名稱：一種全光開關(guān)及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全光開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及采用一維多層膜結(jié)構(gòu)的光子晶體全光開關(guān)及其 設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
光子晶體是折射率隨空間周期性分布的結(jié)構(gòu)，具有光子禁帶和光子局域化是光子晶體的 兩個最根本的特征，頻率在光子禁帶中的光波不能在光子晶體中傳播。全光開關(guān)是一種重要 的集成光子學(xué)器件，完全利用光子與物質(zhì)的相互作用來實現(xiàn)對光束的傳輸過程進行有效的 "開"、"關(guān)"控制作用，在光通信、光計算機和快速光信息處理等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前 景。光子晶體具有光子帶隙，因而基于光子晶體的全光開關(guān)比傳統(tǒng)的全光開關(guān)具有更大的優(yōu) 越性。
利用光子晶體來實現(xiàn)全光開關(guān)的思想，最早是由Scalora在1994年提出來的。光子晶體 全光開關(guān)主要是利用帶隙或缺陷的遷移機制、非線性頻率轉(zhuǎn)換、光子態(tài)密度、雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)以 及波導(dǎo)和微腔的耦合效應(yīng)等來實現(xiàn)的。光子晶體全光開關(guān)有三大特征快速響應(yīng)時間、高開 關(guān)效率和低泵浦光強。實際應(yīng)用中，泵浦光的峰值強度是有一定的閾值的，當光強超過閾值 時，器件很容易被打壞。然而，要獲得較高的開關(guān)效率，大多數(shù)要以高泵浦光強為代價，目 前關(guān)于光子晶體全光開關(guān)的報道中提及的泵浦光強大多是GW/ci^數(shù)量級的，這極大的限制了 光子晶體全光開關(guān)的應(yīng)用。
要降低泵浦光的強度并同時實現(xiàn)高開關(guān)效率，除了利用具有較大非線性系數(shù)的材料外，
在結(jié)構(gòu)設(shè)計上通常使用兩種途徑其一是利用光子禁帶微腔的強光子局域效應(yīng)來增強光與物
質(zhì)的非線性作用，也即提高泵浦光在非線性材料中的局域程度；其二是降低信號光通過的線 寬，也即提高信號光通道的Q值，從而只需使光譜有微小的移動就能實現(xiàn)開關(guān)效應(yīng)。通常人 們只能利用途徑1或者途徑2來降低泵浦光的功率，效果不太明顯，具有一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有全光開關(guān)所存在的泵浦光強高，以及所采用的降低泵浦光功率的途徑單一、效果不太明顯等技術(shù)問題，本發(fā)明的首要目的在于提供一種全光開關(guān)設(shè)計方法，綜合利用了 降低泵浦光功率的途徑，有效地降低了泵浦光的閾值強度。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種泵浦光的閾值強度低的全光開關(guān)。
本發(fā)明的首要目的是這樣實現(xiàn)的 一種全光開關(guān)設(shè)計方法，其特征在于包括以下幾個步 驟步驟IOI，在第'一介質(zhì)層A與第二介質(zhì)層B交替堆疊的多層膜結(jié)構(gòu)中摻入一個中心缺陷 層C或兩個對稱缺陷層C，再在多層膜結(jié)構(gòu)中遠離缺陷層C的兩端對稱地摻入兩個側(cè)邊缺陷 層D;第一介質(zhì)層A與第二介質(zhì)層B的折射率比大于l.l，兩相鄰的第一介質(zhì)層A與第二介
質(zhì)層B組成一個周期的介質(zhì)膜；側(cè)邊缺陷層D與缺陷層C間隔N個周期的介質(zhì)膜，以避免 側(cè)邊缺陷層D與缺陷層C發(fā)生相互耦合作用，其中N大于或等于6;步驟102，調(diào)節(jié)缺陷層 C的參數(shù)，獲得兩個缺陷模；然后設(shè)置側(cè)邊缺陷層D的光學(xué)厚度，使得兩個側(cè)邊缺陷層D產(chǎn) 生的缺陷模與缺陷層C產(chǎn)生的缺陷模之一重疊，從而獲得兩個具有不同Q值的缺陷模，兩個 缺陷模的Q值比為2-4;步驟103，將低Q值缺陷模設(shè)置為泵浦光通道，高Q值缺陷模設(shè)置 為探測光通道。
在上述全光開關(guān)設(shè)計方法中，當步驟101中慘入一個中心缺陷層C時，步驟102中所述 缺陷層C的參數(shù)為中心缺陷層C的光學(xué)厚度；優(yōu)選地，中心缺陷層C的光學(xué)厚度為wx^/4，
"取大于3的奇數(shù)，A為中心波長。
在上述全光開關(guān)設(shè)計方法中，當步驟101中摻入兩個對稱缺陷層C時，步驟102中所述 缺陷層C的參數(shù)為兩個對稱缺陷層C的光學(xué)厚度及它們之間的距離；優(yōu)選地，兩個對稱缺陷
層C的光學(xué)厚度為"x;i0/4，其中1<"<3， ^為中心波長，且間隔2至6個周期的介質(zhì)膜。
在上述全光開關(guān)設(shè)計方法中，所述第一介質(zhì)層A、第二介質(zhì)層B的光學(xué)厚度均為四分之 一波長；第一介質(zhì)層A、缺陷層C、側(cè)邊缺陷層D選用同一種非線性材料。
本發(fā)明的另一目的是這樣實現(xiàn)的 一種全光開關(guān)，為主要由第一介質(zhì)層A與第二介質(zhì)層 B交替堆疊而成的多層膜結(jié)構(gòu)；所述多層膜結(jié)構(gòu)的中部設(shè)有一個中心缺陷層C或兩個對稱缺 陷層C，兩端設(shè)有兩個側(cè)邊缺陷層D，側(cè)邊缺陷層D與缺陷層C間隔N個周期的介質(zhì)膜，其 中N大于或等于6;泵浦光通道為缺陷層C和側(cè)邊缺陷層D所產(chǎn)生的兩個缺陷模中Q值較低 者，探測光通道為缺陷層C和側(cè)邊缺陷層D所產(chǎn)生的兩個缺陷模中Q值較高者，泵浦光通道 與探測光通道的Q值比為2-4。
所述多層膜結(jié)構(gòu)的中部設(shè)有一個光學(xué)厚度為"x;io/4的中心缺陷層C，"取大于3的奇數(shù)，A為中心波長。
所述多層膜結(jié)構(gòu)的中部設(shè)有兩個間隔2至6個周期的介質(zhì)膜的對稱缺陷層C;兩個對稱 缺陷層C的光學(xué)厚度均為"x^/4，其中1<"<3， A為中心波長。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點及有益效果
1、 提出一種新型的全光開關(guān)設(shè)計方法，綜合地從現(xiàn)有的兩種途徑來降低泵浦光的功率， 即通過提高泵浦光在非線性介質(zhì)中的局域程度，降低信號光通道的帶寬，從而降低泵浦光的 閾值強度。
2、 本發(fā)明巧妙地利用了光子晶體的帶隙特性，易于實現(xiàn)在多層膜結(jié)構(gòu)摻入三個或四個 非線性缺陷層，調(diào)節(jié)缺陷層的距離和/或光學(xué)厚度參數(shù)即可獲得兩個具有不同Q值的缺陷模
(也叫諧振模)，兩個缺陷模的Q值比約為2-4。將具有較高Q值、窄線寬的缺陷模用于信號 光，而另一個具有較低Q值、較寬線寬的缺陷模用于泵浦光。而此時泵浦光也由于高度的強 局域，而使非線性效應(yīng)增大，實現(xiàn)了大于90%的高開關(guān)效率的全光開關(guān)，其需要的泵浦光強 比含單缺陷層、具有相同Q值的情況低約50倍。
3、 本發(fā)明設(shè)計的全光開關(guān)，在使用相同的非線性材料的情況下，達到開關(guān)時所需的泵浦 光強度與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以降低約50倍。


下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明
圖1是本發(fā)明的含三缺陷層一維多層膜的光開關(guān)示意圖2是本發(fā)明的含四缺陷層一維多層膜的光開關(guān)示意圖3是實施例1中的光開關(guān)示意圖4是圖3結(jié)構(gòu)的透射譜圖5是圖3結(jié)構(gòu)的全光開關(guān)中探測光的歸一化輸出光強； 圖6是實施例2中的光開關(guān)示意圖； 圖7是圖6結(jié)構(gòu)的透射譜圖8是圖6結(jié)構(gòu)的全光開關(guān)中探測光的歸一化輸出光強。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1
圖l所示為本發(fā)明所設(shè)計的含三個缺陷層的一維多層膜結(jié)構(gòu)，其設(shè)計過程具體如下-步驟101:在高折射率第一介質(zhì)層A與低折射率第二介質(zhì)層B交替堆疊的多層膜結(jié)構(gòu)中 摻入一個位于多層膜結(jié)構(gòu)中部的中心缺陷層C，再在多層膜結(jié)構(gòu)中遠離中心缺陷層C的兩端 對稱地摻入兩個側(cè)邊缺陷層D;兩相鄰的第一介質(zhì)層A與第二介質(zhì)層B組成一個周期的介質(zhì) 膜，側(cè)邊缺陷層D與中心缺陷層C 一般間隔N個周期的介質(zhì)膜，以避免缺陷層D與缺陷層C 發(fā)生相互耦合作用，其中N大于或等于6。中心缺陷層C的光學(xué)厚度一般選"x^/4,"—般
取大于3的奇數(shù)。本發(fā)明所說的第一介質(zhì)層A、第二介質(zhì)層B折射率高低是相對而言的，指 的是兩者的折射率有高低之差，具體一點來說，兩第一介質(zhì)層A、第二介質(zhì)層B的折射率比 大于1.1。第一介質(zhì)層A、第二介質(zhì)層B的光學(xué)厚度均為四分之一波長，即"。《="4《=A/4。
第一介質(zhì)層A、缺陷層C、缺陷層D可以選用同一種非線性材料，且具有這樣結(jié)構(gòu)的光開關(guān) 的開關(guān)效率會更高。
步驟102:調(diào)節(jié)中心缺陷層C的光學(xué)厚度，獲得兩個缺陷模；然后設(shè)置側(cè)邊缺陷層D的 光學(xué)厚度，使得兩個側(cè)邊缺陷層D產(chǎn)生的缺陷模與中心缺陷層C產(chǎn)生的缺陷模之一重疊，這 樣就可以獲得兩個具有不同Q值的缺陷模，兩個缺陷模的Q值比約為2-4。
步驟103:將低Q值缺陷模設(shè)置為泵浦光通道，高Q值缺陷模設(shè)置為探測光通道。利用 FDTD理論方法可以模擬該開關(guān)器件的光開關(guān)效率。由于引入的缺陷層C、 D為三階非線性 介質(zhì)層，隨著泵浦光的變化，介質(zhì)的折射率改變，從而使得光子晶體的有效折射率變化，光 子晶體帶隙發(fā)生遷移，即可以實現(xiàn)光開關(guān)效應(yīng)。
圖3所示的由第一介質(zhì)層A、第二介質(zhì)層B及缺陷層C、 D堆疊構(gòu)成的含三個缺陷模的 多層膜結(jié)構(gòu)，就是采用本實施例設(shè)計方法獲得的全光開關(guān)。其中第一介質(zhì)層A和缺陷層C、 D均為聚苯乙烯材料，且具有三階非線性，其線性折射率為1.59,三階非線性極化率
/3) =7.5x10—11 esu ;第二介質(zhì)層B的折射率為1.35; N=20，即缺陷層D與缺陷層C間隔20 個周期的介質(zhì)膜。 一維多層膜結(jié)構(gòu)為(AB)^B(AB,C (BA,BD(BA)2，第一介質(zhì)層A、第二 介質(zhì)層B的光學(xué)厚度均選擇^/4，缺陷層C的光學(xué)厚度為27x^/4，中心波長^:780nm。
設(shè)置缺陷層D的光學(xué)厚度為360.5nm，因此我們獲得兩個缺陷模。該結(jié)構(gòu)的透射譜如圖4所 示，兩個缺陷模波長分別為760.254nm和800.608nm，品質(zhì)因子分別為3403和9271，比值約 為2.7，雙缺陷峰的位置大約相距40nm。
為了解這種光開關(guān)的特性，利用時域有限差分法模擬了該結(jié)構(gòu)的光開關(guān)效應(yīng)。選擇泵浦光位置在諧振模短波處，另一諧振模為探測光頻率位置。泵浦光的光強分別選擇1 MW/cm2、 2 MW/cn^和4 MW/cm2， 探測光強為lKW/cm2，圖5描述了不同泵浦光強作用下探測光的 歸一化輸出情況，其中Ipump表示泵浦光的光強。泵浦光的增強從0增大到4 MW/cm2，由于 聚苯乙烯具有正的三階非線性系數(shù)，根據(jù)非線性光克爾效應(yīng)，聚苯乙烯的折射率隨著泵浦光 強的增強而增大，缺陷模紅移，因此探測光的歸一化輸出光強從100%降低到7.67%,透過 功率降低了 92.33%，即實現(xiàn)了高開關(guān)效率。對于單個諧振模的一維光子晶體光開關(guān)，當探測 光的諧振腔Q值相同的情況下，泵浦光在通帶處時，要使透過功率降低92.33%,所需的泵浦 光的功率約為含三缺陷層結(jié)構(gòu)的50倍。
實施例2
圖2所示為本發(fā)明所設(shè)計的含四個缺陷層的一維多層膜結(jié)構(gòu)，其設(shè)計過程具體如下 步驟201:在高折射率第一介質(zhì)層A與低折射率第二介質(zhì)層B交替堆疊的多層膜結(jié)構(gòu)中 對稱地摻入兩個位于多層膜結(jié)構(gòu)中部的對稱缺陷層C，再在多層膜結(jié)構(gòu)中遠離相鄰的對稱缺 陷層C的兩端對稱地摻入兩個側(cè)邊缺陷層D ;相鄰的第一介質(zhì)層A與第二介質(zhì)層B組成一 個周期的介質(zhì)膜，側(cè)邊缺陷層D遠離相鄰的對稱缺陷層C，側(cè)邊缺陷層D與對稱缺陷層C一 般間隔N個周期的介質(zhì)膜，以避免缺陷層D與缺陷層C發(fā)生相互耦合作用，其中N大于等 于6;兩個缺陷層C的光學(xué)厚度為"x^/4，其中1<"<3，且一般間隔Ni個周期的介質(zhì)膜，
而&的范圍優(yōu)選2至6。第一介質(zhì)層A、第二介質(zhì)層B的折射率比大于1.1;第一介質(zhì)層A、 第二介質(zhì)層B的光學(xué)厚度均為四分之一波長，即"。《="A《=。
步驟202:調(diào)節(jié)兩個對稱缺陷層C的光學(xué)厚度和它們之間的距離，獲得兩個缺陷模；然 后設(shè)置側(cè)邊缺陷層D的光學(xué)厚度，使得兩個側(cè)邊缺陷層D所產(chǎn)生的缺陷模與兩個缺陷層C產(chǎn) 生的缺陷模之一重疊，從而獲得兩個具有不同Q值的缺陷模，兩個缺陷模的Q值比約為2-4。
步驟203:將低Q值缺陷模設(shè)置為泵浦光通道，高Q值缺陷模設(shè)置為探測光通道，利用 FDTD理論方法可以模擬該開關(guān)器件的光開關(guān)效率。由于引入的缺陷層為三階非線性介質(zhì)， 利用折射率變化引起的帶隙遷移理論可以實現(xiàn)光開關(guān)效應(yīng)。
圖6所示的由第一介質(zhì)層A、第二介質(zhì)層B和缺陷層C、 D堆疊構(gòu)成的含四缺陷多層膜 系統(tǒng)，就是采用本實施例設(shè)計方法獲得的全光開關(guān)。其中第一介質(zhì)層A和缺陷層C、 D也采 用同一種高折射率介質(zhì)一聚苯乙烯，其線性折射率為1.59;第二介質(zhì)層B的折射率為1.35; N=16，即側(cè)邊缺陷層D與相鄰的對稱缺陷層C間隔16個周期的介質(zhì)膜，N產(chǎn)5，即兩個對稱缺陷層C之間間隔5個周期的介質(zhì)膜。 一維多層膜結(jié)構(gòu)為(AB)^B(AB,C (BA)5 BC(BA)16BD(BA)3，第一介質(zhì)層A、第二介質(zhì)層B的光學(xué)厚度均選擇^/4 ，兩個缺陷層C的
光學(xué)厚度均為2x^/4，中心波長A二780nm。設(shè)置側(cè)邊缺陷層D的光學(xué)厚度為729.6nm，我
們可以獲得兩個缺陷模。該結(jié)構(gòu)的透射譜如圖7所示，缺陷模波長分別為765.178nm和 795.464nm，品質(zhì)因子分別為3188和10120.4，比值約為3.17，雙缺陷峰的位置大約相距30nm。 為了解這種光開關(guān)的特性，利用時域有限差分法模擬了該結(jié)構(gòu)的光開關(guān)效應(yīng)。選擇泵浦 光位置在諧振模短波處，另一諧振模為探測光頻率位置。泵浦光的光強分別選擇1 MW/cm2、 2 MW/cn^和4 MW/cm2， 探測光強為lKW/cm2，圖8描述了不同泵浦光強作用下探測光的 輸出情況，其中Ip皿p表示泵浦光的光強。泵浦光的增強從0增大到4 MW/cm2，由于聚苯乙 烯具有正的三階非線性系數(shù)，根據(jù)非線性光克爾效應(yīng)，聚苯乙烯的折射率隨著泵浦光強的增 強而增大，缺陷模紅移，因此探測光的歸一化輸出光強從100%降低到4.89%,透過功率降 低了 95.11%，即實現(xiàn)了高開關(guān)效率。
權(quán)利要求
1.一種全光開關(guān)設(shè)計方法，其特征在于包括以下幾個步驟步驟101，在第一介質(zhì)層A與第二介質(zhì)層B交替堆疊的多層膜結(jié)構(gòu)中摻入一個中心缺陷層C或兩個位于多層膜結(jié)構(gòu)中部的對稱缺陷層C，再在多層膜結(jié)構(gòu)中遠離缺陷層C的兩端對稱地摻入兩個側(cè)邊缺陷層D；第一介質(zhì)層A與第二介質(zhì)層B的折射率比大于1.1，兩相鄰的第一介質(zhì)層A與第二介質(zhì)層B組成一個周期的介質(zhì)膜；側(cè)邊缺陷層D與缺陷層C間隔N個周期的介質(zhì)膜，以避免側(cè)邊缺陷層D與缺陷層C發(fā)生相互耦合作用，其中N大于或等于6；步驟102，調(diào)節(jié)缺陷層C的參數(shù)，獲得兩個缺陷模；然后設(shè)置側(cè)邊缺陷層D的光學(xué)厚度，使得兩個側(cè)邊缺陷層D產(chǎn)生的缺陷模與缺陷層C產(chǎn)生的缺陷模之一重疊，從而獲得兩個具有不同Q值的缺陷模，兩個缺陷模的Q值比為2-4；步驟103，將低Q值缺陷模設(shè)置為泵浦光通道，高Q值缺陷模設(shè)置為探測光通道。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光開關(guān)設(shè)計方法，其特征在于當步驟101中摻入一個中 心缺陷層C時，步驟102中所述缺陷層C的參數(shù)為中心缺陷層C的光學(xué)厚度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光開關(guān)設(shè)計方法，其特征在于當步驟101中摻入兩個對 稱缺陷層C時，步驟102中所述缺陷層C的參數(shù)為兩個對稱缺陷層C的光學(xué)厚度及它們之間 的距離。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種全光開關(guān)設(shè)計方法，其特征在于所述中心缺陷層C的 光學(xué)厚度為wx^/4,"取大于3的奇數(shù)，A為中心波長。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種全光開關(guān)設(shè)計方法，其特征在于所述兩個對稱缺陷層C 的光學(xué)厚度為"x/lj4，其中1<"<3， 4為中心波長，且間隔2至6個周期的介質(zhì)膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種全光開關(guān)設(shè)計方法，其特征在于所述第一介質(zhì)層A、 第二介質(zhì)層B的光學(xué)厚度均為四分之一波長；第一介質(zhì)層A、缺陷層C、側(cè)邊缺陷層D選用 同一種非線性材料。
7. —種全光開關(guān)，其特征在于所述全光開關(guān)為主要由第一介質(zhì)層A與第二介質(zhì)層B交 替堆疊而成的多層膜結(jié)構(gòu)；所述多層膜結(jié)構(gòu)的中部設(shè)有一個中心缺陷層C或兩個對稱缺陷層 C，兩端設(shè)有兩個側(cè)邊缺陷層D，側(cè)邊缺陷層D與缺陷層C間隔N個周期的介質(zhì)膜，其中N 大于或等于6;泵浦光通道為缺陷層C和側(cè)邊缺陷層D所產(chǎn)生的兩個缺陷模中Q值較低者， 探測光通道為缺陷層C和側(cè)邊缺陷層D所產(chǎn)生的兩個缺陷模中Q值較高者，泵浦光通道與探測光通道的Q值比為2-4。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種全光開關(guān)，其特征在于所述多層膜結(jié)構(gòu)的中部設(shè)有一個 光學(xué)厚度為"x^/4的中心缺陷層C，"取大于3的奇數(shù)，A為中心波長。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種全光開關(guān)，其特征在于所述多層膜結(jié)構(gòu)的中部設(shè)有一個光學(xué)厚度為27x & /4的中心缺陷層C。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種全光開關(guān)，其特征在于所述多層膜結(jié)構(gòu)的中部設(shè)有兩個間隔2至6個周期的介質(zhì)膜的對稱缺陷層C;兩個對稱缺陷層C的光學(xué)厚度均為"x ， 其中1<"<3， A為中心波長。
全文摘要
本發(fā)明涉及光子晶體全光開關(guān)及其設(shè)計方法，其設(shè)計方法為在多層膜結(jié)構(gòu)中摻入一個中心缺陷層C或兩個對稱缺陷層C，以及兩個側(cè)邊缺陷層D，側(cè)邊缺陷層D與缺陷層C間隔N個周期的介質(zhì)膜，以避免側(cè)邊缺陷層D與缺陷層C發(fā)生相互耦合作用；然后調(diào)節(jié)中心缺陷層C的光學(xué)厚度或調(diào)節(jié)兩個對稱缺陷層C的光學(xué)厚度及它們之間的距離獲得兩個缺陷模，再設(shè)置側(cè)邊缺陷層D的光學(xué)厚度，獲得兩個Q值比約為2-4的缺陷模；將低Q值缺陷模設(shè)為泵浦光通道，高Q值缺陷模設(shè)為探測光通道。本發(fā)明利用了光子晶體的帶隙特性，并利用摻雜非線性缺陷層，實現(xiàn)了大于90％的高開關(guān)效率的全光開關(guān)，其需要的泵浦光強比含單缺陷層、具有相同Q值的情況低約50倍。
文檔編號G02F1/35GK101526713SQ20091003875
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者金崇君, 饒文媛 申請人:中山大學(xué)