二維非線性光子晶體光開關的設計與仿真

【摘要】 光子晶體是一種介電常數周期性排列的人工介質，它對光具有可操縱性。將非線性材料運用到二維光子晶體中，即在普通二維光子晶體波導中引入非線性缺陷，通過控制輸入光功率的大小，得到了不同情況下光波在波導中的傳輸情況，實現了 “開” “關”作用，實驗結果表明，開關時間極短，大致在1013—～1014數量級。

【關鍵詞】 光子晶體 二維 光開關

一、光開關的發展

世界市場光開關的需求量在九十年代初中期增長緩慢，只有數十萬件。但在九十年代后期，隨著全光網絡的興起、發展，經濟信息化過程的加快，特別是全球范圍光交換機及其交換矩陣系統市場需求猛增，系統設備銷售2006年將增長至32億美元，對光開關的需求將會急劇上升。據統計，世界光開關年銷售增長率已達到13%。光開關在國內光無源器件市場所占份額較小，隨著全光通信網絡系統的開發、應用，國內市場需求量將會大幅度增長。

目前發展的光控光開關主要是以下幾種：

（1）Mach-Zender型光控光開關；（2）平面反射型光開關；（3）克爾光開關；（4）NOLM（非線性環路境）開關，；（5）頻移型（XPM型）光開關。

二、光子晶體光開關

利用光子晶體來實現全光開關的思想，最早是由Scalora在1994年提出來的。光子晶體全光開關的思想是指開始時一束探測光能夠通過光子晶體，當一束泵浦光作用于光子晶體時，信號光就被光子晶體全部反射回來而不能通過光子晶體，由此實現對探測光束傳輸過程的開關控制作用。光開關的開關控制方式有電流注入、外加電場或光注入等，以此來控制折射率、光的吸收特性等。電流注入控制是利用注入載流子的壽命來限制開關速度，開關速度很難超過10GHz。外加電場控制時，則沒有這種限制，但由于受到控制用的電子電路的帶寬限制，按目前的技術狀態，開關速度也被限制在100GHz左右。與此相反，采用光注入的光控光方式，不通過載流子就可以控制，所以可以實現超高速的開關。

2.1 二維非線性光子晶體光開關的設計與仿真

如圖1所示，我們設計了一個含缺陷的二維光子晶體波導結構。背景介質為空氣，介電常數為，普通玻璃介質柱半徑為，其中為一個周期，折射率為，缺陷處為Kerr型非線性介質，其非線性系數為。由基礎理論分析知，當三階非線性系數為負時，隨著光強的增大，介質的等效折射率減小。

激勵源設置為高斯脈沖，，其中，，，分別為此高斯脈沖寬度和高度的的。時間步長的選擇要求滿足穩定性條件，且便于觀察，因此我們取。輸入光波沿箭頭方向入射，寬度為，定義單位光功率為UnintPower。

當光子晶體中局部含有Kerr非線性時，由于非線性的作用，在光子晶體的帶隙中存在豐富的孤子類電磁模，這些孤子類電磁模在帶隙內形成部分透明的通帶，并具有多穩態性質。當調整光的強度使之滿足與孤子模共振的條件時，光子晶體對于頻率位于線性截止帶內的光將變成透明或部分透明。

通過仿真在不同輸入光功率情況下光在波導中的傳輸情況，我們得出一組數據，記錄在表1內。其中InputPower表示輸入光功率，T（s）表示光波局域到非線性介質前經歷的時間。

由此可見，當輸入光功率小于0.12UnintPower時，光波完全局域在非線性介質處，即開關處于閉合狀態；當輸入光功率大于0.12UnintPower且小于0.25UnintPower時，光波在經歷一段時間（T（s））后也總能局域在非線性介質處，即T（s）前開關打開，T（s）后開關閉合；而當輸入光功率大于 0.25UnintPower后，光波直接沿著波導傳輸，即開關處于打開狀態。由此可見，其中的T（s）就表示了開關的響應時間，因此該光子晶體光開關的響應過程極快，大致在1013—～1014之間。

三、總結與展望

自從1987年美國Bell實驗室的E.Yablonovitch和Princeton大學的S.John各自獨立地提出了“光子晶體”這一新概念以來，一場有可能引發未來光子技術革命的光子晶體研究序幕已經揭開。當前光子晶體的研究已經進入器件設計和應用階段，我國中科院物理所的光子晶體和負折射組目前主要的研究內容中就有二維和三維光子晶體功能元件的理論設計、數值模擬和功能開發，以及二維和三維光子晶體的能隙移動效應和超快光開關功能，可見對于這種新型光功能材料器件的研究在我國光學領域已經成為研究的熱點。

未來的光電子器件將可能朝著全光器件的集成發展。如果我們將各種光學器件用光子晶體來制造，并使用光子晶體波導集成在一塊芯片上，無疑將大大提高光學器件的集成度，這種飛躍，好比電子電路從單一元件組合邁進集成電路時代一樣。