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一种新型缺陷模迁移光子晶体全光开关设计

发布时间:

第 31 卷 第 3 期 2011 年 3 月

光 学 学 报 ACTA OPTICA SINICA

V ol. 31, N o. 3 March, 2011

一种新型缺陷模迁移光子晶体全光开关设计
陈鹤鸣
1 2

1

王国栋

2

南京邮电大学光通信研 究所, 江苏 南京 210003

华信邮电咨询设计研究院有限公司, 浙江 杭州 310014

摘要

提出了一种新型缺陷位移光子晶体全光开关。基质 光子晶 体通过 在硅介 质上构 造三角形 周期排 列的空 气 有机聚合物含对甲苯磺酸取代基的聚二乙炔( PD A P T S) , 调节控 制

孔形成, 同时引入线缺陷和点缺陷, 获得了一种具有 高品质 缺陷模的 光子晶 体点、 线混 合缺陷结 构。在此 基础上, 通过点缺陷处填充克尔型非线性光学介质 光使缺陷模发生动态迁移, 从而实现对信号光的 通断控制。采用 时域有限 差分法 ( F DT D) 进 行仿真 计算。分析 结 果表明, 开关消光比大, 阈值低, 响应时间快。该缺陷位移光子晶体 全光开关对于未来高速 全光通信 和光计算技 术 的应用具有重要学术意义。 关键词 光电子学; 光开关; 光子晶体; P DA PT S T N 761 文献标识码 A doi: 10. 3788/ AOS201131. 0323006 中图分类号

Design of New Photonic Crystal All Optical Switching Based on Dynamical Shift of Defect Mode
Chen Heming1
1

Wang Guodong2

Instit ut e of Optical Com m u nica tions of Nan jin g Un iver sity of Posts an d T elecom mu nica tion s , Na njin g , Jia n gsu 210003, Chin a

2

Hua xin Post T elecom Con su ltin g a n d Design in g Instit ut e Co . , Lt d . , Ha ngzhou , Zhejian g 310014, China

Abstract A new type of photonic crystal all optical switching based on the dynamical shift of defect mode has been designed. This photonic crystal is triangular lattice with circular air holes in silicon, in which line defects and point defects are included. A photonic crystal structure introducing both point and line defects which has quality defect mode is designed. After that, point defects have been filled with the Kerr nonlinear optical material polydiacetylene para toluene sulfonate ( PDA PTS). With regulating the control light, the defect mode brings the dynamical shift, and accordingly it can be cont roled the signal light on and off. The two dimensional finite difference time domain ( FDTD) calculat ion has been used to numerical demonstration. The results show that the swit ch has great extinction ratio, low threshold power density, and fast switching time. The photonic crystal all optical switching based on the dynamical shift of defect mode has an important academic significance to the high speed all optical communications, as well as the optical computing technology in the future. Key words optoelectronics; optical switch; photonic crystal; PDA PTS OCIS codes 230. 3120; 250. 6715; 130. 5296

1





等的研究在不断深化, 其中全光开关作为光信息处 理的基本元件, 已经成为当前光通信和光计算技术 的关键性器件。由于光 子晶体具有极 强的控光能 力, 可以用它来制作以前所不能制作的高性能全光 开*骷6怨庾泳骞饪氐难芯拷芙徊酵

随着人们对信息量需求的急剧增加, 网络通信 和信息计算面临着新的挑战, 从而推动了光波技术 的发展。以光子作为计算对象的光信息处理技术, 其中包括光学图像处理、 光学信息存储和光学计算
收稿日期: 2010 06 28; 收到修改 稿日期: 2010 10 10

基金项目: 国家自然科学基金( 61077084) 和南京邮电大学科研基金( N Y207053) 资助课题 。 作者简介: 陈鹤鸣( 1958 ) , 男, 教授, 硕士生导师, 主要从事光通信与光波技术等方面 的研究。 E mail: chhm@ njupt . edu. cn( 中国 光学学会会员号: S042100005M ) 0323006 1









动光子晶体产业在全光集成、 光通信和光信息处理 等方面的发展
[ 1~ 7]

考虑 FDT D 的稳定性条件, 取: s t s/ ( 3v m ax ) , 其中

1/ 10# 和 min



s 为空间 步长, # in 为网格 m

本文在研究了光子晶体缺陷模迁移理论和对光 子晶体点、 线混合缺陷的大量仿真实验基础上, 采用 三阶非线性光学性能较好的有机聚合物 对甲苯 磺酸取代基的聚二乙炔( PDA P T S) 填充 点缺 陷处, 以实现缺陷模动态位移, 设计了一种新型结构 的缺陷位移型光子晶体全光开关。分析结果表明, 该全光开关的消光比大, 阈值低, 响应快。该全光开 关对于未来高速全光通信和光计算技术的应用具有 重要学术意义。

空间内所考虑电磁波的最小波长, t 为时间步长, v m ax 为计算空间中电磁波的最大速度。

3

全光开关设计

3. 1 光子晶体点、 线混合缺陷选择 在二维光子晶体中引入线缺陷形成波导, 引入 点缺陷形成谐振腔。光子晶体波导和谐振腔的合理 耦合能够获得性能优越的缺陷模, 可制作各种性能 优越的光子器件, 如光调制器、 光开关等。本文在大 量仿真实验的基础上, 列举 3 类点、 线缺陷结合模模 型, 如图 1 所示。 上述点、 线混合缺陷光子晶体采用 12 ! 14 个元 胞, 晶格常数 a= 650 nm, 空气孔半径 r = 0. 45a, 四 周设有完美匹配层( PM L ) , 取 2D F DT D 的横向、 纵 向空间步长各为 50 nm, 即 s= 50 nm , 时间步长 t 满足稳定性条件, 取 C ! t= 10 nm , C 为真空中的 光速。在线缺陷入口处设置激光源, 激光源为高斯 冲激脉冲, 在线缺陷出口处设置了监视器。通过反 复的仿真实验, 约 2 时间步数场稳定下来, 2 为 2 的乘方, 便于有效地 进行快速傅里 叶( FF T ) 计算。 频谱图如图 2 所示。仿真结果表明, 点缺陷位于两线 缺陷中间的结构能够获得高品质的缺陷模, 为制作性 能优越的缺陷迁移光子晶体全光开关提供了条件。 3. 2 全光开关结构 在点、 线混合缺陷的研究基础上, 本文设计了一
16 16

2

时域有限差分法基本理论
利用二维时 域有限差分法( 2D FDT D) 仿真计

算光子晶体点、 线混合缺陷的频率谱及全光开关性 能。FDT D 是把含时间变量的麦克斯韦旋度方程在 Yee 空间中转换为差分方程, 在时间和空间上逐步 *蠼, 在网格的边界处可利用周期性的边界条 件, 最终得到整个空间的电磁分布, 对于 T M 模, 其 2D FDT D 方程为 Hx
n+ 1/ 2

i, j

= - Hx

n 1/ 2 -

i, j

-

t/
0

Ez

n

i, j

- Ez

n

i, j - 1

, ( 1)

Hy Ez

n+ 1/ 2

i, j

= Hy

n 1/ 2 -

i, j

+

t/
0

Ez
n

n

i, j

- Ez

n

i- 1, j

, ( 2)

n+ 1 i, j

=

! ! j - ? j t/ 2 0 ri, i, Ex ! ! j + ? j t/ 2 0 ri, i,
n+ 1/ 2

i, j

+
n+ 1/ 2

t/ Hy ! ! , j + ? j t/ 2 0 ri i, Hx
n+ 1/ 2

i, j

- Hy

i- 1, j

( 3)

i, j

+ Hx

n+ 1/ 2

i, j - 1

,

种新型缺陷迁移光子晶体全光开关。如图 3 所示, 光子晶体是通过在硅介质上构造三角形周期排列的 空气孔形成, 晶格常数 a= 661 nm, 空气孔直径 d= 595 nm, 高纯硅在 C 波段的折射率为 3. 4。

式中 i , j , n 为整数, 分别为沿 x , y 方向上的空间步 长和时间步长的个数。

图 1 点、 线混合缺 陷光子晶体结构。( a) 点缺陷位于线缺陷一侧, ( b) 点缺陷和线缺陷位于直线上, ( c) 点缺陷位于两线缺陷中间 Fig. 1 Structur e of photonic cr ystal intr oducing bo th po int and line defects. ( a) po int defect lies to o ne side of line defects, ( b) po int defect and line defects a re on the same str aig ht line, ( c) point defect is betw een tw o line defects

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陈鹤鸣等:

一种新型缺陷模迁移光子晶体全光开关设计

图 2 点、 线混合缺陷光子晶体频谱。( a) 点缺陷位于线缺陷一侧, ( b) 点缺陷和线缺陷位于直线上, ( c) 点缺陷位于两线 缺陷中间 Fig . 2 F requency spectr um o f pho tonic cry sta l intr oducing bo th po int and line defects. ( a) po int defect lies t o one side o f line defects, ( b) po int defect and line defects are o n the same st raig ht line, ( c) point defect is in betw een t wo line defects

光的通断控制, 在光开关设计过程中, 引入 4 个点缺陷, 成对称 的两对, 起到牵引光波传递的作用。小孔 1 和波导 紧连一起, 在输入前端小孔 1 通过谐振增强了它周 围的光强, 这样更有利于能量向中央非线性缺陷处 传递, 在输出后端小孔 1 谐振出来的光可以直接进 入波导, 大大地增强了输出光的强度。同 时小孔 1 半径不能太小, 否则光反被局域在了小孔 1 内部, 不 能传递出去。小孔 2 通过谐振, 起连接波导和中央 非线性共振腔的作用, 使得能量传递效率更高, 大大
图 3 缺陷位移光子晶体全光开关模型 F ig. 3 M odel o f pho tonic cry sta l all optical swit ching based on the dynamical shift of defect mo de

改善了开关的消光比。 同时在光开关底层增加一反射器。该反射器是 由沿 YZ 方向周期性变化的完整结构二维光子晶体 构成, 使得控制光频率落在该光子晶体禁带内, 实现 对控制光的全反射。反射器的作用明显。1) 可以作 为*板光开关的衬底层, 有利于实际中集成; 2) 实现 控制光的全反射, 控制光全反射后能够再次作用于 中央非线性点缺陷, 增强了克尔非线性效应, 降低了 控制光的光强; 3) 如果没有该反射器, 控制光直接穿 通开关, 加强了周围环境的电磁辐射, 同时光路集成 时泄露的强光会对周边其他器件带来严重干扰。

首先, 在完整结构二维光子晶体中心空气孔处 填充 P DA P T S 材料 , 构成 点缺陷, P DA P T S 的线性折 射率 为 n = 1. 88, 三 阶非 线性 折 射率 为 n2 = 2. 2 ! 10 ( cm / W ) 。然后, 在中心点缺陷的 两侧以高纯硅填充空气孔的方式分别引入两条线缺
- 12 2 [ 8~ 10]

陷, 并保证点缺陷至两线缺陷的距离相等且两线缺 陷之间保持*行。最后, 通过减小空气孔大小引入 四个点缺陷( 小孔 1, 小孔 2) , 小孔 1 位于两线缺陷 的末端, 半径为 0. 2a, 小孔 2 位于中央点缺陷与线 缺陷之间, 半径为 0. 15a。该光子晶体*板 厚度取 500 nm。信号光垂直于空气孔方向, 在光子晶体* 板内从线缺陷一端输入, 从另一端输出; 控制光垂直 于光子晶体*板, 入射在中心点缺陷处。 3. 3 开关机理 光开关实质是实现光路的断和通。根据缺陷模 位移理论, 缺陷处采用非线性光学材料后, 可以调节 控制光来改变非线性光学材料的折射率, 从而使得 缺陷模发生位移, 此时原本处在缺陷位置的信号光 则陷入光子晶体禁带内, 无法透传, 从而实现对信号

4

数值计算与分析

4. 1 全光开关的频率特性 为了得到全光开关的频率特性, 信号光采用冲 激脉冲。采用 F DT D 对本文设计的全光开关进行 仿真计算, 横向、 纵向空间步长各为 40 nm, 时间步 长 t 满足稳定性条件, 取 C ! t= 10 nm, C 为真空 中的光速。通过反复的仿真实验, 约 220 时间步数后 场稳定下来。 品质因子( Q) 是表征谐振 腔性能的重要参数。
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品质因子 Q 定义为共振模的中心频率与共 振模的 半峰全宽( FWH M ) 的比值。Q 值越高, 限制光的能 力越强。当无控制光作用时, 输出端出现一波长为 1543 nm 缺陷模, 此时 Q 值为 1580; 当有控制光输入 时, 中心非线性材料的折射率因此发生变化, 从而引 起缺陷模产生一定的位移, 移到了 1550 nm 处, 与之 前相比位移了 7 nm, 此时 Q 值为 1550, 如图 4 所示。

其他参数不变, 对没有引入 4 个点缺陷( 小孔 1 和小孔 3) 时的缺陷位移光子晶体全光开关进行仿真 计算, 得到此时的频谱图, 如图 5 所示。在无控制光 和有控制光输入情况下, 分别获得缺陷模为 1543 nm 和 1550 nm, Q 值分别为 308 和 387。可以看出, 引入 小孔 1 和小孔 2 情况下, 缺陷模的 Q 值具有明显的 优势。

图 4 输出端频谱。( a) 无控制光输入, ( b) 有控制光输入 F ig. 4 F requency spectrum of o ut put terminal. ( a) no input co ntro l light, ( b) w ith input co nt rol light

图 5 没有引入 4 个点缺陷时输出端频谱。( a) 无控制光输入, ( b) 有控制光输入 Fig . 5 Fr equency spect rum of output terminal when 4 point defects ar e not included. ( a) no input contr ol lig ht, ( b) w ith input co nt ro l light

无控制光作用下中央点缺陷处的三阶非线性光 学材料 PDA PT S 的线性折射率 n0 为 1. 88, 在控制 光作 用 下, 通 过实 验 仿真 得 到, 当缺 陷 模位 移 到 1550 nm时, 非线性材料的折射率改变 n 为 1. 902, 相对于线性折射率改变了 0. 022, P DA PT S 的非线 性折射率为n2 = 2. 2 ! 10 ( cm / W) , 根据 光克尔 效应 n= n0 + 2n2 ( P / S) , 其中 P 为功率, S 是波导的
- 12 2

输入时, 1550 nm 的连续信号光不能透过, 根据全光 开关的频率特性, 此时系统的谐振频率落在 1543 nm 处, 信号光不能和系统发生共振, 开关处于断开状 态。当有控制光输入时, 缺陷模迁移到了 1550 nm 处, 此时信号光则可以透过, 光开关处于接通状态, 如图 6 所示。 图 7 是用 F DT D 数值计算光开关断通状态下 的透射率和时间响应图。 在断开状态时, 开关透射率约为 4 ! 10 ; 接通 状态时, 开关透射率约为 0. 95。这样可以计算得该
- 4

*均截面积, 代入计算可以得功率密度 p : p = ( n- n0 ) / 2n2 = 5 GW/ cm . ( 4) 本文采用 YAG 激光器发出的 1064 nm 的激光 作为控制光, 脉冲宽度 35 ps, 重复频率为 10 H z, 阈 值功率密度为 5 GW/ cm 2 。 4. 2 全光开关功能实现及性能分析 将上述信号光由冲激脉冲改为波长为 1550 nm 的连续光, 在此情况下分析光开关性能。当无控制光
2

开关的消光比为 34 dB, 开关消光比性能较好。 F DT D 数值仿真约 2 步长数场稳定下来, 时间 步长 t 满足 c t= 10 nm , 其中 c 为真空中的光速, 可以计算得
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陈鹤鸣等:

一种新型缺陷模迁移光子晶体全光开关设计

图 6 全光开关内部光强分布。( a) 断开状态时, ( b) 接通状态时 F ig. 6 Steady field distr ibution of the all optical sw itching. ( a) light off states, ( b) lig ht o n states

图 7 光开关强度大小和时间响应图。( a) 无控制光输入; ( b) 有控制光输 入 F ig. 7 T ime domain steady response intensity of the optical sw itch. ( a) no input control light, ( b) w ith input contro l lig ht

t=

10 nm - 17 ? 3. 3 ! 10 s, 3 ! 108 ( m / s)

( 5)

因此, 系统稳定时间为 t = t ! n = 34. 6 ps. 据我们所知大多数光开关所无法达到的
[ 11, 12]

( 6) 。

该开关的系统响应稳定在皮秒量级, 这是目前

5





本文在对光子晶体点、 线混合缺陷的大量仿真实 验基础上, 利用 PDA PT S 晶体作为克尔型非线性介 质, 设计了一种新型缺陷位移光子晶体全光开关。该 全光开关的工作波长在 1550 nm, 控制光采用 YA G 激光器发出的 1064 nm 的激光。采用 FDT D 对器 件的开关行为仿真计算。分析结果表明, 开关消光 比达到 35 dB, 响应时间为 34. 6 ps, 阈值功率密度 为 5 GW/ cm 2 。 参 考 文 献

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