專利名稱：利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)非線性、光子晶體光開關(guān)、全光通訊技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種利用光 子晶體平板非線性折射率變化引起透過譜上的傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法。
背景技術(shù)：
全光開關(guān)在光通信、光集成以及全光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中有著非常重要的作用。近些年來(lái)， 利用光子晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)全光開關(guān)的研究日漸深入。P. Tran等在Opt. Lett. 21 :1138_1140中 提出，如果利用泵浦光和信號(hào)光都位于光子帶隙時(shí)，在無(wú)泵浦光的情況下，信號(hào)光將不能通 過光子晶體；但在泵浦光的激勵(lì)下，其和頻或差頻光可位于光子帶隙的導(dǎo)帶中，能夠通過光 子晶體。利用混頻原理制作的光開關(guān)，除了與光子晶體器件水平以外，還與混頻光路的各項(xiàng) 參數(shù)有關(guān)，如光纖耦合效率等。Alain Hach6等通過研究一維光子晶體中的雙光子吸收和Kerr非線性現(xiàn)象，提 出可利用光子晶體的帶邊移動(dòng)效應(yīng)制作出了全光開關(guān)。利用帶邊效應(yīng)制作的光開關(guān)，由于 帶邊群速度色散很大，并且工藝上很難制造出帶邊很陡的光子晶體，因此開關(guān)效率不高。 Shanhui Fan等采用了一個(gè)單模可調(diào)微腔的缺陷模移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光開關(guān)。Shanhui Fan等人采 用的微腔品質(zhì)因子只有1300，缺陷模位置諧振時(shí)透過率僅為65%，光開關(guān)功能實(shí)現(xiàn)所需最 小折射率變化為3X10-3。Shin-ichiro Inoue等測(cè)量一個(gè)有Kerr非線性的二維光子晶體 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)角度反射譜，該結(jié)構(gòu)在1.6GW/cm2的功率密度下，諧振角度可改變0.06° /0. 3°。 QIHUANG G0NG等人用摻雜C153的聚苯乙烯制備二維光子晶體微腔光開關(guān)，泵浦能量為 520fJ時(shí)共振峰位移3. 7nm。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光 開關(guān)的方法，通過研究透過譜上傳導(dǎo)共振峰與光子晶體參數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，得到了一些 品質(zhì)因子很高、對(duì)折射率變化敏感的傳導(dǎo)共振模式。泵浦光與信號(hào)光分別與傳導(dǎo)共振模式 的耦合會(huì)極大的降低泵浦功率，同時(shí)，由于泵浦光和信號(hào)光可沿垂直于光子晶體或以一定 角度入射，光波耦合更為方便，有利于實(shí)際應(yīng)用。( 二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開 關(guān)的方法，包括步驟1 制作一基于磷化銦材料的光子晶體平板結(jié)構(gòu)13 ；步驟2 搭建光開關(guān)實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)，該光路系統(tǒng)包括一信號(hào)光源10，由信號(hào)光源 10發(fā)出的位于1550nm波段的入射光被分光鏡11分為兩部分，其中一部分經(jīng)由聚焦透鏡12 照射到置放在可旋轉(zhuǎn)角度的樣品臺(tái)上的光子晶體平板結(jié)構(gòu)13，并由光電二極管14收集透 射光，第一濾波器15進(jìn)行有用信號(hào)提??；另一束光則通過光電二極管16和第二濾波器17
3直接收集；第一濾波器15和第二濾波器17所提取信號(hào)均通過計(jì)算機(jī)19進(jìn)行分析；步驟3 泵浦光源18發(fā)出的泵浦光照射在光子晶體平板結(jié)構(gòu)13上，引起光子晶體 平板結(jié)構(gòu)13非線性折射率的變化，致使透過譜發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光開關(guān)。上述方案中，所述光子晶體平板結(jié)構(gòu)13為一四方晶格晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有以下 參數(shù)晶格常數(shù)為800nm，厚度為240nm，小孔半徑為80nm。上述方案中，所述泵浦光源18是用于泵浦的激光器，其波長(zhǎng)在800nm左右可調(diào)諧， 重復(fù)頻率為lk Hz，脈寬為皮秒或飛秒量級(jí)。上述方案中，所述透過譜為光子晶體平板結(jié)構(gòu)13的波長(zhǎng)透過譜，或角度透過譜。上述方案中，所述泵浦光波長(zhǎng)800nm位于透過譜上傳導(dǎo)共振峰位置，泵浦光與光 子晶體平板結(jié)構(gòu)13傳導(dǎo)共振模式產(chǎn)生共振耦合使得光子晶體平板結(jié)構(gòu)13附近的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng) 5倍，從而降低泵浦能量。上述方案中，所述光子晶體平板結(jié)構(gòu)13的透過譜上傳導(dǎo)共振峰品質(zhì)因子高達(dá)105， 實(shí)現(xiàn)光開關(guān)所需最小折射率變化An為2. 5X 10_5RIU，所需最低泵浦能量為184fJ。上述方案中，所述光開關(guān)工作于通訊波段的1550nm附近。上述方案中，所述信號(hào)光和泵浦光均垂直于光子晶體平板結(jié)構(gòu)13或以一定角度 入射耦合進(jìn)光子晶體平板結(jié)構(gòu)13，不需要嚴(yán)格的端面耦合。上述方案中，所述光開關(guān)器件的尺寸為100 ym2，采用微加工方法容易實(shí)現(xiàn)。(三)有益效果本發(fā)明通過調(diào)整光子晶體平板參數(shù)，使得泵浦光和信號(hào)光均能與透過譜上的傳導(dǎo) 共振模式進(jìn)行耦合。泵浦光與光子晶體平板共振模式產(chǎn)生耦合會(huì)極大的增強(qiáng)光場(chǎng)，從而降 低實(shí)現(xiàn)開關(guān)關(guān)的泵浦能量；而信號(hào)光采用的傳導(dǎo)共振模式其品質(zhì)因子非常高，對(duì)非線性折 射率變化也很敏感，因此，對(duì)于光開光泵浦能量要求較低的場(chǎng)合，本發(fā)明可以提供很好的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明的光開關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；圖2為本發(fā)明的二維光子晶體平板角度透過譜；圖3為本發(fā)明的二維光子晶體平板透過譜共振角度與泵浦能量的關(guān)系；圖4為本發(fā)明的二維光子晶體平板波長(zhǎng)透過譜；圖5為本發(fā)明的二維光子晶體平板透過譜傳導(dǎo)共振峰位置與泵浦能量的關(guān)系；圖6為本發(fā)明的二維光子晶體平板光開關(guān)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例1 請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明采用的信號(hào)光光源為波長(zhǎng)為1550nm的紅外激光，激光束 被分光鏡分為兩束，一束通過聚焦棱鏡聚焦成直徑約為100 u m的點(diǎn)，照射在樣品表面，本 發(fā)明通過光電二極管收集透射光，并通過濾波器之后由電腦采集；另一束則直接用光電二極管收集，通過濾波器與電腦連接，作為透射信號(hào)光的參考光。樣品置于可微調(diào)角度的樣品 臺(tái)之上，本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)樣品臺(tái)的傾斜角度來(lái)調(diào)整入射光角度，從而得到光子晶體板 的角度透過譜。虛線框內(nèi)為本發(fā)明所采用的泵浦光光源，Ti藍(lán)寶石激光器，波長(zhǎng)在800nm左 右可調(diào)諧，重復(fù)頻率為lk Hz，脈寬為皮秒或飛秒量級(jí)(一般為2ps)。本發(fā)明改變泵浦光的 入射功率時(shí)，將樣品臺(tái)從0°旋轉(zhuǎn)至90°得到光子晶體板的角度透過譜，如圖2所示?？梢?看到，在透過譜上有兩個(gè)分別位于18. 16°和27. 34°位置的很深的共振峰，共振峰深度分 別為0. 005和0. 007，共振時(shí)的透過率小于1%，共振峰的半高寬分別為0. 02°和0. 025°。 本發(fā)明選取對(duì)非線性折射率變化敏感度較高的18. 16°附近的傳道共振模式來(lái)實(shí)現(xiàn)光開 關(guān)。如圖3是透過譜上的共振角度對(duì)泵浦能量的依賴關(guān)系。隨著泵浦能量的增大，共振角度 也會(huì)逐漸增大。該共振角度對(duì)泵浦光所引起的非線性折射率變化的靈敏度約為SOdegree/ RIU。當(dāng)1550nm的入射光照射到光子晶體上時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)入射角度，當(dāng)達(dá)到共振角度 18. 16°時(shí)，入射光的透過率變得很低接近于0，對(duì)應(yīng)光開關(guān)的關(guān)閉狀態(tài)；在不改變角度的 情況下，增大入射光的功率，當(dāng)泵浦能量大于300fJ時(shí)，由于非線性作用引起折射率改變 2. 5X 10_4RIU，使得共振角度發(fā)生位移，原來(lái)的共振角度位置的低透過率變?yōu)楦咄高^率，對(duì) 應(yīng)了光開光的開啟狀態(tài)。兩者的對(duì)比度超過50%，在泵浦能量大于lpj之后，對(duì)比度將接近 100%。實(shí)施例2:請(qǐng)參閱圖4所示，本發(fā)明計(jì)算垂直入射時(shí)二維光子晶體板的波長(zhǎng)透過譜。在圖中， 可以看到在波長(zhǎng)1550nm附近有一個(gè)共振峰，其品質(zhì)因子高達(dá)105，傳導(dǎo)共振峰位置對(duì)折射率 的靈敏度為446nm/RIU。根據(jù)透過譜上兩個(gè)峰可以分辨的條件，得到使透過譜上傳導(dǎo)共振 峰位移可以分辨的最小折射率變化An應(yīng)約為3. 47X 10_5RIU。如圖5是傳導(dǎo)共振峰隨著泵 浦能量的變化，可以看出隨著泵浦能量的增大，傳導(dǎo)共振峰會(huì)向短波方向移動(dòng)，這是因?yàn)榱?化銦材料的三階非線性折射率為負(fù)值，當(dāng)入射光能量增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料的折射率下降，從 而使透過譜藍(lán)移。對(duì)于泵浦能量為13. 33pJ時(shí)，移動(dòng)的距離為0. 5nm，對(duì)應(yīng)的折射率變化為 10_4，而從圖中可以看出，共振峰的位移已經(jīng)可以清晰地分辨出來(lái)。對(duì)應(yīng)于最小可分辨折射 率變化的泵浦能量為4.61pJ。透過譜上808nm位置也有一傳導(dǎo)共振模式，本發(fā)明取泵浦光位于該模式附近，外 場(chǎng)與光子晶體平板傳導(dǎo)共振模式產(chǎn)生共振耦合使得光子晶體平板附近的場(chǎng)強(qiáng)得到增強(qiáng)，從 而使得泵浦能量得到進(jìn)一步降低。如圖6所示，當(dāng)外部泵浦光功率為0時(shí)，1550nm的信號(hào)光垂直入射光子晶體時(shí)透過 率很低，小于10%，信號(hào)光不能通過，對(duì)應(yīng)于光開關(guān)的“關(guān)閉”狀態(tài)；當(dāng)外部泵浦光功率增大 到184fJ時(shí)，由于磷化銦材料折射率降低所導(dǎo)致的原本位于1550nm處的透過譜變成了高透 過率，其透過率大于90%，接近100%，這時(shí)對(duì)應(yīng)于光開關(guān)的“開啟”狀態(tài)。本發(fā)明所提供的光子晶體平板結(jié)構(gòu)，因其傳導(dǎo)共振峰對(duì)非線性折射率變化非常敏 感，共振峰品質(zhì)因子很高，同時(shí)泵浦光與共振模式耦合的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)，使得光開關(guān)需要較 低的泵浦能量；所采用的光子晶體晶格常數(shù)在800nm附近，微加工工藝容易實(shí)現(xiàn)；入射光方 向是垂直于光子晶體平面或以一定角度入射，不需要嚴(yán)格的端面耦合，光開關(guān)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，實(shí) 際應(yīng)用條件不苛刻。本發(fā)明所提供的光開關(guān)泵浦能量為184fJ時(shí)可實(shí)現(xiàn)接近100%的對(duì)比度，為目前所知泵浦能量最低的光開關(guān)。 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法，其特征在于，包括步驟1制作一基于磷化銦材料的光子晶體平板結(jié)構(gòu)(13)；步驟2搭建光開關(guān)實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)，該光路系統(tǒng)包括一信號(hào)光源(10)，由信號(hào)光源(10)發(fā)出的位于1550nm波段的入射光被分光鏡(11)分為兩部分，其中一部分經(jīng)由聚焦透鏡(12)照射到置放在可旋轉(zhuǎn)角度的樣品臺(tái)上的光子晶體平板結(jié)構(gòu)(13)，并由光電二極管(14)收集透射光，第一濾波器(15)進(jìn)行有用信號(hào)提??；另一束光則通過光電二極管(16)和第二濾波器(17)直接收集；第一濾波器(15)和第二濾波器(17)所提取信號(hào)均通過計(jì)算機(jī)(19)進(jìn)行分析；步驟3泵浦光源(18)發(fā)出的泵浦光照射在光子晶體平板結(jié)構(gòu)(13)上，引起光子晶體平板結(jié)構(gòu)(13)非線性折射率的變化，致使透過譜發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法，其特 征在于，所述光子晶體平板結(jié)構(gòu)(13)為一四方晶格晶體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有以下參數(shù)晶格 常數(shù)為800nm，厚度為240nm，小孔半徑為80nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法，其特 征在于，所述泵浦光源(18)是用于泵浦的激光器，其波長(zhǎng)在800nm左右可調(diào)諧，重復(fù)頻率為 1kHz，脈寬為皮秒或飛秒量級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法，其特 征在于，所述透過譜為光子晶體平板結(jié)構(gòu)(13)的波長(zhǎng)透過譜，或角度透過譜。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法，其特 征在于，所述泵浦光波長(zhǎng)800nm位于透過譜上傳導(dǎo)共振峰位置，泵浦光與光子晶體平板結(jié) 構(gòu)(13)傳導(dǎo)共振模式產(chǎn)生共振耦合使得光子晶體平板結(jié)構(gòu)(13)附近的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)5倍，從 而降低泵浦能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法，其特 征在于，所述光子晶體平板結(jié)構(gòu)(13)的透過譜上傳導(dǎo)共振峰品質(zhì)因子高達(dá)105，實(shí)現(xiàn)光開關(guān) 所需最小折射率變化An為2. 5X10_5RIU，所需最低泵浦能量為184fJ。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法，其特 征在于，所述光開關(guān)工作于通訊波段的1550nm附近。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法，其特 征在于，所述信號(hào)光和泵浦光均垂直于光子晶體平板結(jié)構(gòu)(13)或以一定角度入射耦合進(jìn) 光子晶體平板結(jié)構(gòu)(13)，不需要嚴(yán)格的端面耦合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法，其特 征在于，所述光開關(guān)器件的尺寸為100 ym2，采用微加工方法容易實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用光子晶體平板傳導(dǎo)共振峰位移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法，包括制作一基于磷化銦材料的光子晶體平板結(jié)構(gòu)；搭建光開關(guān)實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng)，該光路系統(tǒng)包括一信號(hào)光源，由信號(hào)光源發(fā)出的位于1550nm波段的入射光被分光鏡分為兩部分，其中一部分經(jīng)由聚焦透鏡照射到置放在可旋轉(zhuǎn)角度的樣品臺(tái)上的光子晶體平板結(jié)構(gòu)，并由光電二極管收集透射光，第一濾波器進(jìn)行有用信號(hào)提?。涣硪皇鈩t通過光電二極管和第二濾波器直接收集；第一濾波器和第二濾波器所提取信號(hào)均通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析；泵浦光源發(fā)出的泵浦光照射在光子晶體平板結(jié)構(gòu)上，引起光子晶體平板結(jié)構(gòu)非線性折射率的變化，致使透過譜發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光開關(guān)。
文檔編號(hào)G02F1/365GK101866089SQ201010183398
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者許興勝, 陳率 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所