一种可调谐温度双稳光开关的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明是设及一种可调谐溫度双稳光开关，一种具有动态可调谐特性的高性能溫 度双稳光开关，在光开关领域有重要的应用价值。
【背景技术】
[0002] 光子晶体是一种与波长具有相同量级的周期性人工介电结构，由化blonovitch和 John在1987年首次分别独立提出。其最基本特征是光子带隙和光子局域，在激光器、滤波 器、光开关等众多领域有广泛的应用。其中的一维光子晶体具有结构简单、容易实现、易于 集成和插入损耗小等优点成为如今研究最为广泛和实际应用的光子晶体。
[0003] 近年来基于一维光子晶体结构的光开关已有相关开展。在先技术[1](参见 Journal of Optics, 2012，14(6)，065003)基于化L)n结构的一维光子晶体，其中Η为半 导体材料，L为Kerr非线性介质材料，利用光致带隙移动原理设计了一种全关开关。在先技 术[2](参见化urnal of Applied I^ysics, 2009，106(8)，083102)基于(AB)化(BA)n结构 的一维光子晶体，其中A和B为常规线性介质(B介质为空气），D为克尔(Kerr)非线性介质，利 用光致缺陷模移动原理设计了一种高效的全光开关。上述在先技术[1]和[2]设计的全光开 关不是光双稳器件，不具有双稳态特性。在光双稳开关器件方面，在先技术[3](参见发光学 报，2005，25(6)，620-624)基于自散焦材料CdSxSei-x玻璃，采用折射率呈正弦周期调制 波导形式的一维光子晶体结构，实现了光双稳开关器件。在先技术[4](参见Optics Communications, 2005，256(4)，305-309)制备了V〇2薄膜，实现了具有34°C的转变溫度 的光双稳开关特性。虽然该在先技术[3]和[4]属于光双稳开关器件，但该双稳开关不具有 光开关特性参数，如转变溫度、开关对比度等的可调谐特性，不利于实际灵活应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服在先技术的不足，提供一种可调谐溫度双稳光开关，方法简 单、易于实现、光开关性能优异。
[0005] 为达到上述目的，本发明的构思是：本发明针对含较快响应时间的非线性克尔 (Kerr)介质及周期性高低折射率介质为溫敏材料的一维光子晶体结构，基于非线性光谱响 应导致的大于阔值光强时溫度与透射率之间的多值特征原理，实现溫度双稳光开关功能。 选择Ξ阶非线性系数符号不同的D介质材料，实现不同开关性质(升溫时开关开、降溫时开 关关或升溫时开关关、降溫时开关开）的光开关。通过调节各参数、如输入光强、入射光波 长、非线性介质的厚度或周期性高低折射率介质的周期，实现具有可调谐特性的溫度双稳 光开关，且具有输入光强低、开关性能优异、响应快等的特点。
[0006] 根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下： 一种可调谐溫度双稳光开关，由光学介质层A、B和0Ξ种光学介质层排列叠合成多层光 学介质层组合结构，该多层光学介质层组合结构沿正交入射的输入光束前进的方向依次为 周期性交替结构光学介质层A和B、光学介质层D及光学介质层B和A的周期性交替结构，且中 屯、光学介质层D左右两侧的周期性交替结构的周期数相等，光学介质层D为非线性的克尔介 质，光学介质层A和B为溫度敏感的具有不同折射率的光学薄膜介质，介质层A和B的光学厚 度均为1〇/4(1〇为中屯、波长），入射光强度大于阔值光强。光学介质层D选择Ξ阶非线性系数 为正值的克尔介质层D材料，可实现升溫时开关开、降溫时开关关的光开关特性;选择Ξ阶 非线性系数为负值的克尔介质层D材料，可实现升溫时开关关、降溫时开关开的光开关特 性。当入射光波长固定时通过调节入射光强实现溫度双稳区间及开关对比度的微调谐。通 过调节入射光波长实现溫度双稳区间的大范围调谐。通过增加非线性介质的厚度可W在保 持光开关对比度近似不变时，实现溫度双稳区间的调谐，同时输入光强也得到一定降低。通 过增大周期性高低折射率介质的周期，可W实现开关对比度的提高及溫度双稳区间的调 谐，同时输入光强可显著降低。
[0007] 本发明的技术效果： 与在先技术[1]的基于光致带隙移动原理和在先技术[2]的光致缺陷模移动原理设计 光开关不同，本发明方法实现的光开关是基于非线性光谱响应导致的大于阔值光强时，溫 度与透射率之间的多值特征原理，实现溫度双稳光开关功能，且属于光双稳器件，具有光学 双稳态特性及开关特性的可调谐特性。与在先技术[3]和[4]设计的光双稳开关相比，本发 明方法实现的光开关具有光开关特性参数的可调谐特性，实际应用更灵活，且具有输入光 强低、开关性能优异、响应快等的特点。
[0008] 综上，本发明溫度光开关具有光学双稳态特性、开关特性灵活调谐、易于实现、性 能优异、响应快、可靠性高等的优点。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明溫度双稳光开关的结构示意图。其中，A和B分别为周期性交替结构的高低 折射率介质层，且A、B介质层为溫敏材料;介质层D为非线性的Kerr介质。
[0010] 图2为图1中交替高低折射率介质的周期为3,入射波长为1564nm情况下，当入射光 强分别为513 MW/cm2和560 MW/cm2时的透射率与溫度的关系曲线。其中左侧曲线为光强为 560MW/cm2时的情况;右侧曲线为光强为513MW/cm2 (阔值光强)时的情况。
[0011] 图3为图1中交替高低折射率介质的周期为3,介质层D的Ξ阶非线性极化系数为 1.14X 10-12 cmVw，入射波长为1569.7皿，入射光强为522 MW/cm2时的透射率与溫度的关系 曲线。
[0012] 图4为图1中交替高低折射率介质的周期为3,介质层D的Ξ阶非线性极化系数为- 1.14X 10-12 cmVw，入射波长为1536nm，入射光强为548 MW/cm2时的透射率与溫度的关系曲 线。
[OOK]图5为图1中交替高低折射率介质的周期为3,入射波长为1562.8nm情况下，当入射 光强分别为570 MW/cm2和620MW/cm2时的透射率与溫度的关系曲线。其中，左侧曲线为光强 为620MW/cm2时的情况;右侧曲线为光强为570MW/cm2时的情况。
[0014]图6为图1中交替高低折射率介质的周期为3,入射波长分别为1562.8nm、 1564.0皿，和1565.4 nm时的透射率与溫度的关系曲线。其中，a图为入射波长为1562.8皿 的情况;b图入射波长为1564.Onm的情况;C图为入射波长为1565.4 nm的情况。
[0015] 图7是表1为实施例中入射波长为1562.8皿情况下，入射光强分别为570 MW/cm2和 620MW/cm2时的双稳溫度宽度、开关对比度和转变溫度。
[0016] 图8是表2为实施例中入射波长分别为1562.8皿、1564.化m，和1565.4 nm时的双 稳开关对比度和双稳溫度区间。
[0017] 图9是表3为非线性层个数分别为1、2、4(即非线性层介质厚度分别为原厚度、2倍 原厚度、4倍原厚度)时溫度双稳光开关的对比度、双稳溫度区间和输入光功率。
[0018] 图10是表4为交替高低折射率介质的周期分别为3、4、5时溫度双稳光开关的对比 度、双稳溫度区间和输入光功率。
【具体实施方式】
[0019] 本发明的优选实施例结合附图详述如下： 实施例一： 参见图1，本可调谐溫度双稳光开关，由光学介质层A、B和ΟΞ种光学介质层排列叠合成 多层光学介质层组合结构，其特征在于:所述多层光学介质层组合结构沿正交入射的输入 光束前进的方向依次为周期性交替结构光学介质层A和Β、光学介质层D及光学介质层Β和A 的周期性交替结构，光学介质层D左右两侧的周期性交替结构的周期数相等，光学介质层D 为克尔介质，光学介质层A和B为溫度敏感的具有不同折射率的光学薄膜介质，介质层A和B 的光学厚度均为1〇/4，1〇为中屯、波长，入射光强度大于阔值光强。