光子晶体光开关的发展与应用

光子晶体光开关的发展与应用

（暨南大学信息科技技术学院 广州 510630）

摘 要：

光开关是未来全光通信网相关器件中的一个关键组成部分，研究光开关技术并使之小型化，对全光网来说是一个重要的挑战。光子晶体光开关完全利用光子与介质的相互作用，实现对光传输中“开” 与“关”状态的控制。由于光子晶体在光学集成方面所具有的独特优势，与传统的全光开关相比，基于光子晶体的全光开关，有着多方面的应用价值。本文主要介绍了光子晶体光开关的发展和其各种实现方法。

关键字：光开关；光子晶体；全光开关；

Abstract:

Optical switch is the future all-optical network a key component part of the related devices, research and miniaturization of optical switch technology, is an important challenge for all-optical networks. Photonic crystal optical switch completely using photons interact with the medium, control the OFF or ON state of the optical transmission. Because the photonic crystals has the unique superiority in optical integration,all-optical switch based on photonic crystals has various application value compared to traditional optical switch.This article mainly introduced the development and the realization method of the photonic crystal optical switch.

Key word: optical switch, photonic crystal, all-optical switch

1. 引言

全光开关技术有着多方面的应用价值。现有手段实现的全光开关体积较大，这样就不利于未来全光器件的集成，而且有些方法对实验条件的要求极其严格。然而基于光子晶体的全光开关，有着许多无法比拟的优势。

当前光纤通信技术还必须采用光、电相结合的手段，全光传输现已在波分复用和放大技术中得到应用，而当光信息进行交换时，仍要采用电子学的方法来完成，这样就形成了网络传输和网络交换的极度不匹配，它一方面造成了资源的浪费，更为重要的是了通信效率的提高。为了突破这一所谓的“电子极限”，大力发展全光交换技术就变得十分必要。光链路和光节点组成了全光通信网络，在网络中传输信息时主要有时分和波分复用两种形式在节点处进行信息交换。全光开关都是由这些节点器件组成，因此研究全光开关技术对于全光通信的实现是有巨大的意义。

2. 全光开关

通常情况下光开关可以定义如下：在一定外部条件下，可以将光信号的某个参数快速、可逆、不连续地从一种状态转变为另外一种状态的过程。目前光开关的驱动有两种方式：电控和光控。电控开关较为简单，容易实现，目前已经市场化，但其需要经过光--电转换，因此工作效率较低。全光开关作为集成光子学器件，是一种“以光控光”的开关，不需要经过光--电转换。它完全利用了光子和介质之间的相互作用来达到“开”或“关”的状态。

全光开关一般有以下三个指标：较低的阈值功率、较高的消光比和较快的开关速度。这就要求光开关的制作材料必须有很高的非线性，对信号光有高透明度以及对控制光响应快。另外，为

方便的未来光子集成，还要求开关结构相对简单、体积小、寿命长等优点[5]。

全光开关是一种重要的集成电子学器件，完全利用光子与介质的相互作用来实现对光传输过程进行有效的“开” 和“关”控制作用。现在各种类型的光控光开关已经可以用来实现多种复杂功能，如各种逻辑门、波长转换、解复用功能、信号再生、时钟提取、信号码型变换( 如RZ和NRZ码的转换) 以及信头识别和处理等。传统的全光开关主要有Mach -Zender型光控光开关、平面反射型光开关[1]、克尔光开关[2]、非线性环路镜( NOLM) 开关和频移型( XPM型)光开关等[4]。这几种结构的光控光开关各有优势，但都不是很成熟，都处在进一步研究和改善之中。

3. 光子晶体光控光开关的研究进展

1994年，Scaloar科学家首次提出利用光子晶体来实现光控光开关的思想，并在理论和实验上进行了深入的研究和探索。光子晶体光控光开关的思想指出：开始时探测光能沿着线缺陷通过光子晶体，而当一束泵浦光作用于光子晶体时，探测光就被光子晶体全部反射回来而不能通过光子晶体，由此实现对探测光束传输过程的开关控制作用。

华中科技大学的罗朝明[6]提出了一种基于二维非线性光子晶体波导的光开关，其结构如图1所示。他在光子晶体波导中加入了非线性系数大且时间响应快的CdSxS1-x材料，利用光子晶体缺陷模式移动的原理，通过非线性时域有限差分法(NFDTD)模拟了该结构在控制光860nm波长控制作用下1550nm处的开关行为。

图1 二维光子晶体波导光开关结构

南京邮电大学陈鹤鸣[7]提出基于缺陷模迁移原理的光子晶体全光开关，他在三角晶格光子晶体中引入线缺陷和点缺陷，从而组成光子晶体波导和谐振腔混合结构，如图2所示。并且在点缺陷处填充kerr型非线性材料(有机聚合物PDA-PTS)，使得缺陷模式在控制光作用下发生迁移，此时就实现了对信号光的控制，结果表明该结构在1550nm处表现出良好的开关特性。

图2 缺陷位移光子晶体全光开关结构

伊朗M.Djavid[8]等科学家提出了基于二维光子晶体环形腔的结构，如图3所示。通过调整环形腔内介质柱的数量和周边介质柱的半径可以使不同频率的光信号分别沿不同的波导输出。中国科学院的于天宝[11]等在此结构的基础上又添加共振耦合微腔，并且改变输出波导两侧介质柱的半径，研究了该结构的波分复用/解复用特性，使得输出效率达到了 90%以上。

图3 含环形谐振腔的光子晶体波导光开关结构

E.P.Kosmidou[12]分析了含有克尔(Kerr)非线性介质柱的90°弯曲的光子晶体波导结构，如图4所示。当不含非线性介质柱柱，禁带范围内的光几乎可以无损耗的通过90°弯曲波导。然而，加入非线性介质柱后，只有满足一定强度的光使非线性介质的折射率发生变化，这样光才可以通过弯曲波导，这就为用光控制光的方式实现开关打开了一种新的思路。

图4 含Kerr非线性材料的光子晶体90°弯曲波导

Parisa Andalib基于非线性光子晶体环形谐振腔研究了“与”门[13]，如图5所示。该结构含有两个Kerr型环形谐振腔，只有当输入端都有输入时，信号光才可以输出，此时表示逻辑“1”；但是当任一输入端没有输入或者均没有输入时，信号光就耦合到相应的环形谐振腔内，没有信号光输出，此时表示逻辑“0”，这就为利用简单的开关结构实现光逻辑提供了一定的借鉴意义。

图5 与门结构示意图

由于光子晶体在控制光的运动和光学集成等方面具有独特的优势，自从光子晶体光控光开关的思想提出以后，人们进行了大量的理论探索，提出了很多实现光子晶体光控光开关的方法。本文就此内容做了一定的归纳总结。

4. 光子晶体光控光开关的实现方法

4.1 可调谐的光子晶体光控光开关

光子带隙是电磁波在光子晶体中传播时，受到空间周期性变化的介电函数的调制作用而产生的。基于光子带隙对空间周期性介电函数的依赖关系，A. Figotin[15] 于1998年提出了可调谐光子晶体的概念，他指出，如果光子带隙的位置和宽度能够随着外部参数的变化而改变，那么这种光子晶体就称为可调谐光子晶体。三阶非线性效应能引起介质折射率的改变，影响材料的空间介电分布。因此，可调谐光子晶体主要利用三阶非线性材料，通过外部电场、磁场、温度或者激光

场的激发作用，改变介电函数的空间周期性分布，从而实现光子带隙的大范围、连续调谐。

可调谐光子晶体提出的时间较晚，但是，由于其重要的应用背景，在最近几年，可调谐光子晶体逐渐成为研究的热点。现已有多种不同的调谐方式来实现可调谐光子晶体。比如利用电场( 或温度)来调节液晶材料，使材料的折射率随外电场( 或温度) 的变化而改变，从而改变周期性的介电分布，实现光开关。

4.2 藕合腔结构的双稳态光子晶体光控光开关

所谓光子晶体耦合腔结构是指由一系列光子晶体点缺陷相互耦合而形成的结构，它是A.Yariv[16]等人于1999年首次提出的，并用紧束缚方法进行解释，得出了耦合腔结构的色散关系。该理论表明，通常情况下耦合腔结构具有一定宽度的本征频带，在带边沿群速度趋于零。但研究发现，当耦合腔结构输出/入端的局域增强时，连续本征带退化为分离的本征频率 ，并且可以用耦合理论来解释。通过研究耦合腔结构的离散本征态，发现了光子晶体耦合腔结构中可以实现高效率的双稳态开关。以前对耦合腔结构双稳态研究主要集中在一维耦合腔结构中，而对二维耦合腔结构中的双稳态开关研究涉及相对较少。

在二维光子晶体耦合腔结构中的双稳态开关特性的研究中，研究的光子晶体耦合腔结构如图6所示。这种耦合腔结构，在线性情况下，可以使互相垂直交叉的波导(泵浦和信号通道)之间不发生串扰。

图6 耦合腔结构示意图

为了实现高效率的双稳态光开关，必须使系统的透射频谱(本征频谱)的线宽很窄，并且本征频率的位置随腔的扰动而敏感地移动．通常的耦合腔结构具有较宽的带状本征态，因此实现开关的阈值通常会很高。但是研究发现，通过增强腔的局域，带状频率可以退化为分离的线宽很小的本征频率，并且可以用耦合模理论解释。

在分析耦合腔系统受到扰动的情况下，本征频率的移动情况时，当耦合腔系统中引入Kerr介质时，介质的折射率将随入射光的强度而变化，此时耦合腔系统的本征频率也将受到微扰，本征频率的微扰可以根据微扰理论近似求解。当腔内引入正Kerr介质时，本征频率将随入射光强的增加而向低频方向移动．因此选择适当的入射频率和入射光强，可以动态调节耦合腔系统本征模的频率，进而可以实现用光控光开关．研究表明，无论是自泵浦型或者是泵浦一信号型的光子晶体光控光开关，都表现出了典型的双稳态特性。

4.3 驻波光子晶体光控光开关

驻波是两列振幅，频率相同的相干波，在同一直线上沿相反方向传播时形成的叠加波，在波

节处，振幅为最小为0，而在波腹处，振幅最大。由于光具有波动性，当输入到光波导的光(信号光)在波导截止端被反射，反射波和入射波发生干涉，当光波导的长度满足一定的条件，就形成光驻波。如果波导截止端的阻抗比波导的阻抗大，那么波导截止端是波节，光场最小。还设想，如果波导截止端的材料是非线性材料，则因为截止端是波节，光场很小，非线性效应不会发生。当有另一束光(控制光)也进入这个波导使得波导截止端的光场变大，引起非线性效应发生，改变波导截止端的光学性质，进而改变信号光在波导端的反射系数，从而实现光控光行为。

有研究基于以上原理，设计了如图7所示的方格子介质柱型光子晶体结构，它包含一个弯波导和一个“T”型波导，弯波导拐弯处由三个非线性介质柱组成，弯波导拐弯处和“T”型波导分支口之间形成干涉波导。图7中，A、B表示两个输入波导，F表示输出波导。某一频率的信号光单独从波导A或者波导B入射，入射光在弯波导拐弯处被反射，反射光和入射光在干涉波导中发生干涉，如果干涉波导的长度L满足一定的关系使得干涉波导中正好形成驻波，则由于干涉波导底端(非线性介质柱处)的阻抗比干涉波导(空气为传播煤质)的阻抗大，所以干涉波导底端就是驻波的波节，非线性介质柱处光场很小，非线性效应不明显，处于禁带中的信号光不能通过弯波导拐弯处进人输出波导F中，这即是关的状态。如果另一束光(控制光)也从波导B或者波导A中入射进来，使得非线性圆柱处电场增强，非线性圆柱共振形成隧道效应，处于干涉波导中的信号光，被耦合进输出波导F中，这就是开的状态。信号光的开关状态完全由控制光确定，这就实施了光控光运行。在此设计中，选择合适的干涉波导长度等参数，信号光和控制光可以相互控制，即实现全光与运算操作。

图7 光驻波光子晶体光控光开关结构图

4.4 含kerr介质的光子晶体光控光开关

如图8所示的是含有克尔(Kerr)非线性介质柱的90°弯曲的光子晶体波导结构[17]。Kerr型非线性介质柱的折射与电场强度E的关系如下:

nnLn2|E2|

其中nL是非线性物质线性部分的折射率，n2是克尔系数。由该式子可知，一定强度的光作用于非线性物质时，可以使该物质的折射率发生变化。通常情况下克尔系数n2的值很小，当光强较小时，按照线性情况处理即可；然而当光强较大时，就不能够再忽略非线性效应引起的变化

[18]。

对于下图所示的90°弯曲的光子晶体波导，如果未引入Kerr型非线性介质柱，当入射光的频率在光子晶体禁带范围内，光波几乎可以无损耗的通过。当引入Kerr型非线性介质柱后，从A

或者B端入射的光强较小时，非线性物质的折射率低于附近介质的折射率，导致入射光频率小于或者等于波导在该段处的截止频率，此时光不能通过弯曲波导；当从A或者B端入射的光强较大时，非线性物质的折射率接近或者大于弯曲波导附近介质柱的折射率，导致入射光的频率大于波导在该处的截止频率，光就可以通过弯曲波导。因此，可以通过调整从A或者B端入射光束的光强，来实现光控制光的全光开关功能。

图8 含kerr非线性介质材料的光子晶体90°弯曲波导

4.5 原子自发辐射光子晶体光控光开关

中国科学物理所王雪华研究员和顾本源研究员及其合作者，在光子晶体中原子自发辐射特性研究中取得重要进展。研究发现通过调谐激发态原子的极化方向，可在二维光子晶体中对自发辐射实现开关控制。

人们都知道三维光子晶体具有完全的光子带隙(photonic band gaps，PBGs)，可以在各个方向上禁止光波传播，从而完全抑制原子的自发辐射过程。同时由于光子晶体的导带边缘的态密

度十分大，当原子的辐射频率落在导带边时，其自发辐射反而会得到显著的增强。但由于二维光子晶体不存在绝对带隙，所以很难有效地控制自发辐射。然而二维光子晶作简便，利于实际应用，因此如何在二维光子晶体中对自发辐射进行有效地控制，就成为一个十分重要的问题。

研究表明[19]，虽然二维光子晶体没有完全带隙，但是它的光子态密度及局域态密度在赝带隙内仍然是很小，因此仍可有效地控制自发辐射。考虑到非均匀介质中不同空间位置上的原子具有不同的自发辐射寿命，需要引进原子自发辐射寿命分布函数(1ifetime distribution function，LDF)的概念，来描述在非均匀系统中各种不同寿命的激发原子分布情况和各自所占比例数额。计算表明，二维光子晶体的赝带隙对LDF的影响与三维光子晶体中的PBG效应是可比的，这就为利用二维光子晶体实现控制自发辐射提供了有利的理论依据。作者将二维光子晶体的各向异性与极化原子的辐射特性相结合，理论上论证了对于极化原子自发辐射的可实现有效的开关控制。

另外，Wang 提出在二维光子晶体中引入点缺陷，开始时，波长位于缺陷模式中心波长附近的探测光能够通过光子晶体，通过改变点缺陷的折射率等结构参数，可以使探测光从缺陷处辐射到自由空间而不能通过光子晶体。Pereira 提出利用光子带隙光孤子来实现全光开关的思想。Tran 提出利用非线性手征材料来实现光子晶体全光开关。

5. 结束语

本文主要介绍了光子晶体光控光开关的研究现状以及归纳了实现光子晶体光开关的方法。由于光子晶体在光学集成方面所具有的独特优势，基于光子晶体的光开关已经成为国际上的一个研究热点。光子晶体光开关具有体积小和全光驱动等优点，因此在构建全光网络和实现全光信息技术中，有着重要的研究价值和应用前景。

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