光子晶体耦合波导实现光开关效应的研究

光子晶体耦合波导实现光开关效应的研究 第9卷第2期 2011年4月 光学与光电技术 OPTICS&OPT()ElECTRONICTECHNOI()GY Vol|9,No.2 April,2011 文章编号:1672—3392(2011)02—0068—05 光子晶体耦合波导实现光开关效应的研究 黎根.刘正东,.赵顺才.郑军 (1南昌大学近代物理研究所,江西南昌330047;2南昌大学纳米工程技术研究中心,江西南昌330047; 3南昌大学材料科学与工程学院,江西南昌330031) 摘要提出了一种基于光子晶体耦合波导实现光开关效应的方法:将线缺陷引入二维光子晶体 以形成两平行的邻近波导,两邻近波导及其中间的两排介质柱构成了光开关模型耦合区;利用平 面波展开法计算了不同介质填充率情况下的色散特性.结果发现:减小介质填充率可以实现波 导耦合长度的减小;分段调整中间介质柱的填充率和选择不同的耦合搭配长度,定向耦合器内的 光波可以与任意分段介质进行独立,互不相干地耦合,光信号可以在两耦合波导中进行受控地, 不间断地交替传输,从而实现了光信号沿两不同端I:l受控输出的开关效应. 关键词光计算;光开关;有限时域差分法;定向耦合器;光子晶体耦合波导 中图分类号0734...1文献标识码A 1引言 光子晶体自从20世纪80年代被提出以来一 直受到人们广泛的关注.这种人造的周期性结构 材料具有光子禁带l1],光子局域,表面态等重要特 征.这些重要特征为其展现出了很好的应用前景, 如高效率的激光器,光子晶体器件[2.],新型波导 等.如在一块完整的光子晶体中引入某种缺陷,当 电磁波的频率与缺陷态吻合时,就有可能被局域在 缺陷位置.光子在缺陷中传播时,可以通过控制缺 陷的存在,控制和限制光的传播方向l9],从而可 能实现光子晶体光学开关.光学开关是一种重要 的集成光子学器件,完全利用光子与物质的相互作 用来实现对光传输过程的”开”“关”控制作用.而 目前的各种光开关结构还不能满足未来通信的需 求,光子晶体光学开关的实现可以使这种局面得到 改变. 光子晶体光学开关包括全光开关,电光开关, 热光开关.F.Cuesta—SotoE他等研究了光子晶体 定向耦合器型的全光开关结构,中心缺陷柱能产生 低群速的导模,控制光波产生很大的非线性效应, 改变该区域的有效折射率和耦合系数,实现了全光 开关效应.A.sharkaylj等研究了通过耦合区介 质电导率的改变来改变耦合系数,实现电光开关效 应.E.A.Camargo[1叫等研究了通过对A1GaAs/ GaAs这种晶体材料加热,热量诱导介质折射率发 生变化,改变了耦合系数,实现热光开关效应. 在二维光子晶体中引入线缺陷形成波导,两邻 近的平行波导形成一个波导定向耦合器.入射到 其中一个波导的激励基模定向耦合到另一波导中, 光能量在两耦合波导中进行不问断地交替传输,从 而实现了光开关的功能[_l.波导定向耦合器中两 邻近波导中间介质柱的物理参数对光波的耦合起 决定性作用[5],本文讨论了两波导中间的介质柱的 填充率对波长为1.55m的光信号开关效应的影 响, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 出了几种不同填充率组合 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,最后分别 用有限时域差分法模拟了开关效应.本文提出的 方案有望为光子晶体光开关的制作提供理论参考. 2模型与理论分析 考虑无限长介质柱按立方品格周期性地排列 在空气背景中构成的完整光子晶体,其中介质柱的 材料为折射率===3.4的GaAs,其半径r一0.18a, a为晶格常数.在该完整光子晶体中去掉两排介 质柱以形成两平行,邻近的单模波导,其中间保留 两排介质柱相隔构成一个波导定向耦合器,如图1 所示.由此该光子晶体定向耦合器由输入区,耦合 收稿日期2010—09—04;收到修改稿日期2010—11—08 作者简介黎根(1984),男,硕士研究生,主要从事无序激光与光子晶体的研 究.E-mail:ligen622@163.corn 基金项目国家自然科学基金(60768001)资助项目 第2期黎根等:光子晶体耦合波导实现光开关效应的研究 区,输出区三部分组成,其中耦合区是整个开关模 型中最重要的一部分.光子晶体定向耦合可采用 常规的耦合模理论进行分析_1引.光波在两耦合波 导中以不同的传播常数独立传播,该两耦合的波 导分别对应于两不同的本征导模:对称模(或偶模) 其传播常数记为;反对称模(或奇模)其传播常数 记为.定向耦合器的耦合长度定义为奇模和偶 模的相位差为180.时光信号的传输长度,其大小 与奇模和偶模传输常数之差成反比关系ll8: Le= 定义耦合系数一I一fieI/e.当耦合区的几 何长度是耦合长度奇数倍的时候,光信号在定向耦 合器传播后将形成交叉态(Cross),即从in1端口 进入的光信号在out2端口输出,如图l所示. in豢:※※※※;※※※;;;※※;※;※;;:毒 图1光子晶体定向耦合器 Fig.1Directionalcouplingofphotoniccrystal 当耦合区的几何长度是耦合长度偶数倍的时 候,则形成直通态(Bar),即从in1端口进入的光信 号在out1端口输出.因此,调整合适的耦合长度, 可以实现光信号在两耦合波导中进行交替传输. 增大奇模与偶模的传输常数的差值,可以减小耦合 长度. 本文以不同的波导中间介质柱填充率搭配来 改变耦合区的耦合系数,实现耦合长度的减小,从 而实现了耦合区里光波的多次耦合.并用超晶胞 平面波展开法计算光子晶体耦合波导在TM模的 色散曲线,用有限时域差分法模拟光信号在定向耦 合器内传播情况.光在物质中的传播遵循Max— well方程,TM模的Maxwell方程为: aEOH一 aEz— aH一 等一r鲁aav…a 介质和Y方向上的空间步长分别设为Ax, Ay,时间步长为.考虑到系统的开放性,采用完 全匹配层(PerfectlyMatchedLayers)吸收边界的 方式进行计算.得到TM模的FDTD的基本方程 为: 11 /-5+~(,)一H:一盲(,)一 ?E:(,+丢)一(,一吉) Ay H;+_吉(,)一H;告(,)一 ?E:(i4-1,)一(—1,) “?z J)一)一× Hi+{(,+1),Hi+吉(,一丢) 吉(i+1,)一H吉(一丢,)] Ax_j 为了保证迭代收敛得到稳定解,采取稳定条件 选择时间步长和空间步长: c.?<——=:———=一 -j()一4-(?v)一 空间步长的选取一般为一个波长包括10到 20个空间步长,时间步长决定数值计算的稳定性. 满足数值稳定性条件后,光信号在定向耦合器内的 传播达到稳定态,输出端口的能量分布也将稳定. 3数值计算与分析 光子晶体的晶格常数a一0.527m,选归一化 频率以一0.34的高斯连续波,则该归,化频率对 应波长为光通信中常用的波长一1.55m.如图 2给出了填充率为r/a一0.20r/a一0.19,r/口一 0.185,r/a一0.18,r/a一0.175,r/a一0.17,r一 0.165七种情况的色散图,虚线表示奇模,实线表 示偶模.由图2得出,奇模与偶模的传输常数与归 一 化频率给出了一定的函数关系:当归一化频率一 定时,奇模和偶模的传输常数也分别为定值.例如 选择a/a一0.34,波长为一1.55m,填充率r/a 一0.18,由图2中相应数据可以计算出奇模的传输 常数为一27r×k./n一27r×0.189/a一2.366× 10m_.,偶模的传输常数为一27【×0.211/a一 2.514×10m,耦合长度L一—_T? lpev~npodd} 18a.图3所示,依据上述计算方法,得到波导定向 耦合器的耦合长度随介质填充率的变化关系.在 70光学与光电技术第9卷 晶格常数一定时,介质填充率与耦合长度有着唯一 的对应关系,介质填充率变小可以减小耦合长度. 要使光信号能在图1所示耦合区结构巾实现多次 耦合,需要减小耦合长度,那么在工作波长和归一 化频率一定的情况下,通过减小耦合区的介质填充 率可以实现耦合长度减小. 一 \ 兰 皇 q 重 呈 037 O36 035 034 033 032 O3l O3O O29 0l60016501700l7501800185 r/a 图3耦合长度随介质填充率变化图 Fig.3Couplinglengthvsfillingfactorofrods 在罔1所示结构模型巾,改变耦合区介质柱的 填充率,调整耦合长度,实现光开关效应.首先选 择了介质柱材料为折射率/-/一3.4的GaAs,介质 柱填充率r/a一0.18,”为品格常数,波导中间介质 和周边介质的参数保持一致.波长为1.55p_m光 信号在输入端口(in1)进入耦合区,依据图3可知, 此情况下光信号的耦合长度L一18a(耦合区的总 长是其两倍),可以在定向耦合器内耦合两次形成 直通态,将在输出端口(out1)输出.利用有限时域 差分法模拟得到如图4(a)所示结果.其次,考虑 整体改变两波导中问介质柱的填充率并保持其它 参数不变的情况.将这两排介质柱的填充率改为 r/&一0.172,波长为1.55肚m光信号在耦合区内 的耦合长度变为12a(耦合区的总长是其三倍),可 以在定向耦合器内实现i次耦合,光信号形成交叉 态从输入端口(in1)输入,将在输出端口(out2)输 出,模拟结果如图4(b)所示. (a)耦合区介质柱填充率和其他介质柱保持一致, 都为r/.一0.18,形成直通态,相当光l:关处于”开” (b)稍合介质柱填充平变为r/n一0.172, 形成交叉态,相当光开关处于”关” 罔4光开关效应的动态演化图:光信号在inl端口输入 Fig.4Dynamicevolutiondiagramforoptical switchingeffect:opticalsignalinputintheinlport 改变入射光信号的入射端口,分段改变两波导 中间介质柱填充率,深入讨论模型的光开关效应. 如图5(a)所示,将两波导中问介质柱分成两部分, 其中一部分的填充率为r/cz一0.176,另一部分为 r一0.19,对应的耦合长度为14a和22a.波长 为1.55/zm光信号从输入端12I(in2)进入耦合区在 两段不同填充率介质中实现两次耦合,最终在输出 端口(out2)输出,形成直通态.如图5(b)所示,将 两波导中间介质柱分成三部分考虑了耦合情况,三 部分的填充率分别变为r,/”一0.】65,r/n一0.177 5,r/d一0.165.波长为1.55/xm的光信号从输入 端口(in2)人射,在耦合区内的耦合长度分别为 9a,18a,9a,定向耦合器内可以实现三次耦合,最 终在输出端口(out])输,形成交叉态.由此可 第2期黎根等:光子晶体耦合波导实现光开关效应的研究71 见,在定向耦合器内任意分段改变介质柱的填充率 不会影响波导之间的耦合,各段介质对光波的耦合 作用是独立的,这种性质的发现给实际光子晶体全 光开关的制作带来了便利. (a)分两段改变耦合区介质柱的填充率, 形成直通态,相当光开关处于”开” (b)分三段改变耦合区介质柱的填充率, 形成交叉态,相当光开关处于”关” 图5分段改变耦合区介质柱填充率光开关效应的 动态演化图:光信号在in2端口输入 Fig.5Dynamicevolutiondiagramforopticalswitching effectwithchangingthefillingfactorofdielectricrods incouplingregion:opticalsignalinputinthein2port 4结论 本文研究了基于二维光子晶体耦合波导的光 开关效应.利用平面波展开法计算了不同介质填 充率情况下的色散曲线并发现:可以通过减小介质 填充率实现波导耦合长度的减小.利用有限时域 差分法模拟显示光信号在两耦合波导中不断地进 行着交替传输,调整中间介质柱的填充率和选择不 同的耦合搭配长度,可以控制光信号在不同的端口 输出;在定向耦合器内任意分段改变介质柱的填充 率不会影响波导之间的耦合,各段介质对光波的耦 合作用是独立的.这种基于光子晶体耦合波导实 现全光开关的新方法,为光子晶体光开关的制作提 供了理论上的帮助. E1] [2] 1-33 [4] E53 [6] [7] E8] 参考文献 LiHongtao,ShaoMingzhu,LuoShiyu.Bandstruc— tureofone-dimensionatphotoniccrystalwithdielec tricconstantasasine-squaredfunctionincoordinate space[J].Chin.J.Lumin.,2008,29(2):230232. XuXuming,LiWei,MiaoLuping,eta1.Theprop— ertiesofa1×4optionalpowersplittermadeofpho— toniccrystalwaveguide[J].Chin.J.LumirL,2009, 30(1):31-34. 任国斌,王智,娄淑琴,等.光子晶体光纤的正交函 数模型[J].光学学报,2004,24(8):l1301136. NRoMach-ZehnderinterferometeFbasedtreear— chitectureforall—opticallogicandarithmeticopera— tions[J].Optik,2009,120(7):318—324. IZimmermann,MKamp,AForchel,eta1.Photon— iccrystalwaveguidedirectionalcouplersaswave— lengthselectiveopticalfiltersEJ].Opt.Commun, 2004,230(4):387392. ZXQiang,WDZhou,RASoref.Opticaladd-drop filtersbasedonphotoniccrystalringresonators[JJ. 0pt.Express,2007,15(4):1823—1831. ZZhang,MQiu.Compactin-planechanneldropfil— terdesignusing3singlecavitywithtwodegenerate modesin2Dphotoniccrystalslabs[J].Opt.Ex— press,2005,13(7):2596—2604. InsuPark,Hyun-ShikLee,HyunJunKim,eta1. Photoniccrystalpower-splitterbasedondirectional coupling[J].Opt.Express,2004,12(15):3599— 3604. E9]JRomero-Vivas,DNChigrin,AVLavrinenko,et nZ.SotomayorTortes.Resonantadd-dropfilterbased onaphotonicquasicrystal[J].Opt.Express,2005, 13(3):826—835. rlO]DekkerR,UsechakN,ForstM,et?f.Uhrafast nonlinearall-opticalprocessesin-silicon-oninsulator waveguides[J],ApplPhys,2007,40:249—271. [111TsangHK,LiuY.Nonlinearopticalpropertiesof siliconwaveguides[J].SemicondSciTechnol, 2008,23:1-9. r12]FCuesta-Soto,AMartinez,BGarcia-Banos,etaZ. Numericalanalysisofall—opticalswitchingbasedo1”1 a2-Dnonlinearphotoniccrystaldirectionalcoupler [J]IEEESe1.Top.QuantumElectron,2004,10 (5):1101-1106. r13]AsharkaySShi,DWprather,RASoref.Electro— opticalswitchingusingcoupledphotoniecrystal waveguides[J].Opt.Express,2002,10(20): 1048—1059. E14]EACamargo,HMHChong,RMDeLaRue.2D Photoniccrystalthermo—opticswitchbasedonAl— GaAs/GaAsepitaxialstructure[J].Opt.Express, 2004,12:588—592. ElS]DMPustai,ASharkawy,SShi,eta1.Character— 72光学与光电技术第9卷 izationandanalysiscoupledwaveguides[J].J.Mi crolith.,Microfab.,Microsyst.,2003,2:292 OpticalSwitchEffectRealizedbytheCoupledPhotonicCrystalWaveguides IIGenLIUZheng—Dong,.,.ZHAOShun-Cai,.,.ZHENGJun, (1InstituteofModernPhysics,NanchangUniversity,Nanehang330047,China; 2EngineeringResearchCenterforNan.techn.l.gy,Nanchang330047,China; 3SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Nanchang330047,China) AbstractInthispaper,wedemonstrateanovelopticalswitchingstructurebasedonacoupledphotoniccry stalwaveguides. Theswitchingstructureisformedbytwocloselyspacedlineardefectwaveguidesinatwodimensionalph otoniccrystalofair holesinsemiconductormatrix.WeinvestigatefillfactorwhichaffectsdispersiondiagrambyusingPW Mmethods.Inthe couplingregion,wefoundthattheinputsignalbeamcanbecontrolledbychoosingaappropriatecoupling lengthforexchan— gingsingalsbetweentwooutputports.Thecouplingefficiencyisincreasedandthecouplinglengthisalso reducedbymodif— yingthef_11factorofthecouplingregionbetweenthecoupledwaveguides. Keywordsopticsincomputing;opticalswitch;finitedifferencetimedomain;directionalcoupling;phot oniccrystalcoupled waveguides 书讯 由王之江院士作序,徐德衍,高志山等编着,科学出版社出版的《现行光学元件检测与国际标 准》一书 (B5开本,302页,38.6万字,定价50元),自2009年7月出版发行以来,受到广大读者们的欢迎 和认可. 第一次印刷量已销售无几,2010年12月出版社已决定,将于2011年第一季度加印并在全国 发行. 该书重点介绍了光学元件检测领域的近期进展,方法,技术和需求.全书共10章,主要内容是: 论述 了现代光学的发展对光学元件检测的需求;计量概念与误差及精度的必要知识;光学元件检 测基础;光学 元件的参数检测和性能检测的现行技术,侧重对特殊光学元件,光学表面面形,表面缺陷及表 面粗糙度等 内容的叙述;介绍了光学元件技术要求和检测要求的国际标准(ISO10110)的最新内容和相 关的辅助资 料.该书附录汇总了光学检测中4个常用的资料及相关的参考书籍. 该书适用于从事光学,光学工程(尤其是光学制造技术与检验)的科技人员与工艺技术人员 学习参考, 也可供大专院校有关专业作为参考教材使用.