利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法

摘要

本发明公开了一种利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，包括：制作一基于磷化铟材料的光子晶体平板结构；搭建光开关实验光路系统，该光路系统包括：一信号光源，由信号光源发出的位于1550nm波段的入射光被分光镜分为两部分，其中一部分经由聚焦透镜照射到置放在可旋转角度的样品台上的光子晶体平板结构，并由光电二极管收集透射光，第一滤波器进行有用信号提取；另一束光则通过光电二极管和第二滤波器直接收集；第一滤波器和第二滤波器所提取信号均通过计算机进行分析；泵浦光源发出的泵浦光照射在光子晶体平板结构上，引起光子晶体平板结构非线性折射率的变化，致使透过谱发生改变，从而实现光开关。

权利要求

1.一种利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，其特征在于，包括：步骤1：制作一基于磷化铟材料的光子晶体平板结构(13)；

步骤2：搭建光开关实验光路系统，该光路系统包括：一信号光源(10)，由信号光源(10)发出的位于1550nm波段的入射光被分光镜(11)分为两部分，其中一部分经由聚焦透镜(12)照射到置放在可旋转角度的样品台上的光子晶体平板结构(13)，并由光电二极管(14)收集透射光，第一滤波器(15)进行有用信号提取；另一束光则通过光电二极管(16)和第二滤波器(17)直接收集；第一滤波器(15)和第二滤波器(17)所提取信号均通过计算机(19)进行分析；

步骤3：泵浦光源(18)发出的泵浦光照射在光子晶体平板结构(13)上，引起光子晶体平板结构(13)非线性折射率的变化，致使透过谱发生改变，从而实现光开关；

其中，所述信号光和泵浦光均垂直于光子晶体平板结构(13)或以一定角度入射耦合进光子晶体平板结构(13)，不需要严格的端面耦合。

2.根据权利要求1所述的利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，其特征在于，所述光子晶体平板结构(13)为一四方晶格晶体结构，该结构具有以下参数：晶格常数为800nm，厚度为240nm，小孔半径为80nm。

3.根据权利要求1所述的利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，其特征在于，所述泵浦光源(18)是用于泵浦的激光器，其波长在800nm左右可调谐，重复频率为

1k Hz，脉宽为皮秒或飞秒量级。

4.根据权利要求1所述的利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，其特征在于，所述透过谱为光子晶体平板结构(13)的波长透过谱，或角度透过谱。

5.根据权利要求3所述的利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，其特征在于，所述泵浦光波长800nm位于透过谱上传导共振峰位置，泵浦光与光子晶体平板结构(13)传导共振模式产生共振耦合使得光子晶体平板结构(13)附近的场强增强5倍，从而降低泵浦能量。

6.根据权利要求1所述的利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，其特5

征在于，所述光子晶体平板结构(13)的透过谱上传导共振峰品质因子高达10，实现光开关-5所需最小折射率变化Δn为2.5×10 RIU，所需最低泵浦能量为184fJ。

7.根据权利要求1所述的利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，其特征在于，所述光开关工作于通讯波段的1550nm附近。

8.根据权利要求1所述的利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，其特2

征在于，所述光开关器件的尺寸为100μm，采用微加工方法容易实现。

说明书

利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学非线性、光子晶体光开关、全光通讯技术领域，特别是一种利用光子晶体平板非线性折射率变化引起透过谱上的传导共振峰位移实现光开关的方法。

背景技术

[0002] 全光开关在光通信、光集成以及全光网络领域中有着非常重要的作用。近些年来，利用光子晶体来实现全光开关的研究日渐深入。P.Tran等在Opt.Lett.21：1138-1140中提出，如果利用泵浦光和信号光都位于光子带隙时，在无泵浦光的情况下，信号光将不能通过光子晶体；但在泵浦光的激励下，其和频或差频光可位于光子带隙的导带中，能够通过光子晶体。利用混频原理制作的光开关，除了与光子晶体器件水平以外，还与混频光路的各项参数有关，如光纤耦合效率等。

[0003] Alain Haché等通过研究一维光子晶体中的双光子吸收和Kerr非线性现象，提出可利用光子晶体的带边移动效应制作出了全光开关。利用带边效应制作的光开关，由于带边群速度色散很大，并且工艺上很难制造出带边很陡的光子晶体，因此开关效率不高。Shanhui Fan等采用了一个单模可调微腔的缺陷模移动来实现光开关。Shanhui Fan等人采用的微腔品质因子只有1300，缺陷模位置谐振时透过率仅为65％，光开关功能实现所需最小折射率变化为3×10-3。Shin-ichiro Inoue等测量一个有Kerr非线性的二维光子晶体
2
波导结构角度反射谱，该结构在1.6GW/cm 的功率密度下，谐振角度可改变0.06°/0.3°。
QIHUANG GONG等人用掺杂C153的聚苯乙烯制备二维光子晶体微腔光开关，泵浦能量为
520fJ时共振峰位移3.7nm。

发明内容

[0004] (一)要解决的技术问题

[0005] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，通过研究透过谱上传导共振峰与光子晶体参数、能带结构的关系，得到了一些品质因子很高、对折射率变化敏感的传导共振模式。泵浦光与信号光分别与传导共振模式的耦合会极大的降低泵浦功率，同时，由于泵浦光和信号光可沿垂直于光子晶体或以一定角度入射，光波耦合更为方便，有利于实际应用。

[0006] (二)技术方案

[0007] 为达到上述目的，本发明提供了一种利用光子晶体平板传导共振峰位移实现光开关的方法，包括：

[0008] 步骤1：制作一基于磷化铟材料的光子晶体平板结构13；

[0009] 步骤2：搭建光开关实验光路系统，该光路系统包括：一信号光源10，由信号光源10发出的位于1550nm波段的入射光被分光镜11分为两部分，其中一部分经由聚焦透镜12照射到置放在可旋转角度的样品台上的光子晶体平板结构13，并由光电二极管14收集透射光，第一滤波器15进行有用信号提取；另一束光则通过光电二极管16和第二滤波器17直接收集；第一滤波器15和第二滤波器17所提取信号均通过计算机19进行分析；

[0010] 步骤3：泵浦光源18发出的泵浦光照射在光子晶体平板结构13上，引起光子晶体平板结构13非线性折射率的变化，致使透过谱发生改变，从而实现光开关。

[0011] 上述方案中，所述光子晶体平板结构13为一四方晶格晶体结构，该结构具有以下参数：晶格常数为800nm，厚度为240nm，小孔半径为80nm。

[0012] 上述方案中，所述泵浦光源18是用于泵浦的激光器，其波长在800nm左右可调谐，重复频率为1k Hz，脉宽为皮秒或飞秒量级。

[0013] 上述方案中，所述透过谱为光子晶体平板结构13的波长透过谱，或角度透过谱。

[0014] 上述方案中，所述泵浦光波长800nm位于透过谱上传导共振峰位置，泵浦光与光子晶体平板结构13传导共振模式产生共振耦合使得光子晶体平板结构13附近的场强增强5倍，从而降低泵浦能量。

[0015] 上述方案中，所述光子晶体平板结构13的透过谱上传导共振峰品质因子高达105，-5实现光开关所需最小折射率变化Δn为2.5×10 RIU，所需最低泵浦能量为184fJ。

[0016] 上述方案中，所述光开关工作于通讯波段的1550nm附近。

[0017] 上述方案中，所述信号光和泵浦光均垂直于光子晶体平板结构13或以一定角度入射耦合进光子晶体平板结构13，不需要严格的端面耦合。

[0018] 上述方案中，所述光开关器件的尺寸为100μm2，采用微加工方法容易实现。

[0019] (三)有益效果

[0020] 本发明通过调整光子晶体平板参数，使得泵浦光和信号光均能与透过谱上的传导共振模式进行耦合。泵浦光与光子晶体平板共振模式产生耦合会极大的增强光场，从而降低实现开关关的泵浦能量；而信号光采用的传导共振模式其品质因子非常高，对非线性折射率变化也很敏感，因此，对于光开光泵浦能量要求较低的场合，本发明可以提供很好的应用。

附图说明

[0021] 图1为本发明的光开关实验装置示意图；

[0022] 图2为本发明的二维光子晶体平板角度透过谱；

[0023] 图3为本发明的二维光子晶体平板透过谱共振角度与泵浦能量的关系；

[0024] 图4为本发明的二维光子晶体平板波长透过谱；

[0025] 图5为本发明的二维光子晶体平板透过谱传导共振峰位置与泵浦能量的关系；

[0026] 图6为本发明的二维光子晶体平板光开关示意图。

具体实施方式

[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

[0028] 实施例1：

[0029] 请参阅图1所示，本发明采用的信号光光源为波长为1550nm的红外激光，激光束被分光镜分为两束，一束通过聚焦棱镜聚焦成直径约为100μm的点，照射在样品表面，本发明通过光电二极管收集透射光，并通过滤波器之后由电脑采集；另一束则直接用光电二极管收集，通过滤波器与电脑连接，作为透射信号光的参考光。样品置于可微调角度的样品台之上，本发明可以通过调节样品台的倾斜角度来调整入射光角度，从而得到光子晶体板的角度透过谱。虚线框内为本发明所采用的泵浦光光源，Ti蓝宝石激光器，波长在800nm左右可调谐，重复频率为1k Hz，脉宽为皮秒或飞秒量级(一般为2ps)。本发明改变泵浦光的入射功率时，将样品台从0°旋转至90°得到光子晶体板的角度透过谱，如图2所示。可以看到，在透过谱上有两个分别位于18.16°和27.34°位置的很深的共振峰，共振峰深度分别为0.005和0.007，共振时的透过率小于1％，共振峰的半高宽分别为0.02°和0.025°。本发明选取对非线性折射率变化敏感度较高的18.16°附近的传道共振模式来实现光开关。如图3是透过谱上的共振角度对泵浦能量的依赖关系。随着泵浦能量的增大，共振角度也会逐渐增大。该共振角度对泵浦光所引起的非线性折射率变化的灵敏度约为80degree/RIU。

[0030] 当1550nm的入射光照射到光子晶体上时，转动入射角度，当达到共振角度18.16°时，入射光的透过率变得很低接近于0，对应光开关的关闭状态；在不改变角度的情况下，增大入射光的功率，当泵浦能量大于300fJ时，由于非线性作用引起折射率改变-4
2.5×10 RIU，使得共振角度发生位移，原来的共振角度位置的低透过率变为高透过率，对应了光开光的开启状态。两者的对比度超过50％，在泵浦能量大于1pJ之后，对比度将接近
100％。

[0031] 实施例2：

[0032] 请参阅图4所示，本发明计算垂直入射时二维光子晶体板的波长透过谱。在图中，5
可以看到在波长1550nm附近有一个共振峰，其品质因子高达10，传导共振峰位置对折射率的灵敏度为446nm/RIU。根据透过谱上两个峰可以分辨的条件，得到使透过谱上传导共振-5
峰位移可以分辨的最小折射率变化An应约为3.47×10 RIU。如图5是传导共振峰随着泵浦能量的变化，可以看出随着泵浦能量的增大，传导共振峰会向短波方向移动，这是因为磷化铟材料的三阶非线性折射率为负值，当入射光能量增加时，会导致材料的折射率下降，从而使透过谱蓝移。对于泵浦能量为13.33pJ时，移动的距离为0.5nm，对应的折射率变化为-4
10 ，而从图中可以看出，共振峰的位移已经可以清晰地分辨出来。对应于最小可分辨折射率变化的泵浦能量为4.61pJ。

[0033] 透过谱上808nm位置也有一传导共振模式，本发明取泵浦光位于该模式附近，外场与光子晶体平板传导共振模式产生共振耦合使得光子晶体平板附近的场强得到增强，从而使得泵浦能量得到进一步降低。

[0034] 如图6所示，当外部泵浦光功率为0时，1550nm的信号光垂直入射光子晶体时透过率很低，小于10％，信号光不能通过，对应于光开关的“关闭”状态；当外部泵浦光功率增大到184fJ时，由于磷化铟材料折射率降低所导致的原本位于1550nm处的透过谱变成了高透过率，其透过率大于90％，接近100％，这时对应于光开关的“开启”状态。

[0035] 本发明所提供的光子晶体平板结构，因其传导共振峰对非线性折射率变化非常敏感，共振峰品质因子很高，同时泵浦光与共振模式耦合的场强增强效应，使得光开关需要较低的泵浦能量；所采用的光子晶体晶格常数在800nm附近，微加工工艺容易实现；入射光方向是垂直于光子晶体平面或以一定角度入射，不需要严格的端面耦合，光开关实验简单，实际应用条件不苛刻。本发明所提供的光开关泵浦能量为184fJ时可实现接近100％的对比度，为目前所知泵浦能量最低的光开关。

[0036] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。