专利名称：慢光控制光子晶体耦合开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光子晶体耦合开关，尤其涉及一种慢光控制的非线性材料光子晶体耦合开关，适用于光通信系统和集成光路。
背景技术：
集成光路将会是下一代光通信系统的主要器件，它具有成本低、体积小、容易批量生产等优点。作为最有潜力的集成光路实现材料，光子晶体得到了广泛的重视。光子晶体由周期性排列的电介质材料组成，可以禁止某些频率范围的光通过，这种现象被称为光子带隙。利用这种特性，通过在材料中造成一定的缺陷，就可以实现光信号的传输。光子晶体耦合开关是集成光路的关键元器件之一。目前对于静态的光子晶体耦合器已有较多的研究成果，能够用较短的耦合长度来实现信号的耦合，同时得到较高的消光比以及较大的带宽。然而实现动态的光子晶体耦合开关仍然是一个有待探讨的主题。一种方式是在光子晶体材料中注入部分液晶，通过施加不同的电压来改变材料的电介质特性，从而改变信号的耦合状态。然而这种电控方式速度较慢，无法达到高速交换的要求，同时为了实现电控还需要很多额外的设备。更理想的方式是通过加入控制光来实现对开关状态的控制，实现全光的方式。
最近的理论研究结果表明，与正常群速度的光脉冲相比，群速度较慢的光(即慢光)具有在较低操作功率的条件下能够改变材料电介质特性的特点，利用这种光来作为光子晶体耦合开关的控制光可以实现超低功耗开关状态的改变。目前国内外还没有相关的技术公开报导。
因此，对慢光控制的光子晶体耦合开关进行研究，是面向未来光通信系统和网络的集成光子器件的重要主题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种慢光控制光子晶体耦合开关，用较短的耦合长度动态地实现耦合开关状态的改变。
为实现这样的目的，在本发明的技术方案中，在背景材料中加入与背景材料介电常数不同的介质棒，介质棒按照方形晶格或六边形晶格排列，晶格常数为a。通过移除两排介质棒来实现两条信号传输线缺陷波导，使两条信号传输线缺陷波导具有克尔非线性效应。两条信号传输线缺陷波导之间由奇数排介质棒隔开，改变位于奇数排介质棒中心的一排介质棒的半径，使其成为控制光线缺陷波导。
在没有加控制光的情况下，频率为fs的信号光由第一条信号传输线缺陷波导进入后沿波导传输，此时与第二条信号传输线缺陷波导之间没有过多的耦合作用，大多数能量最终经由第一条信号传输线缺陷波导输出。这样的模式即为普通的静态耦合器。
本发明选择能够通过控制光线缺陷波导的且群速度最低的光信号作为慢光控制光。慢光控制光从控制光线缺陷波导输入，使从某一条信号传输线缺陷波导输入的信号光的走向发生变化而从另一条信号传输线缺陷波导输出，从而实现开关的状态改变。
本发明的开关状态改变情况、耦合长度以及消光比取决于所用光子晶体材料各组成部分的电介质特性和非线性特性以及介质棒的半径。通过分析开关的能带结构，可以适当调整参数，从而获得较好的耦合开关性能。本发明的光子晶体材料(背景材料及介质棒)的介电常数在1到25之间，克尔系数在1×10-13cm2/W到1×10-8cm2/W之间。介质棒的半径在0.01a到0.5a之间，a是晶格常数。
本发明的慢光控制光子晶体耦合开关可以实现动态的开关状态转换，同时用于控制光传输的中心线缺陷还会影响光子带隙结构，使得信号传输模式中的耦模曲线发生偏移，从而加大信号传输单位距离的相移，实现更短的耦合长度。选取适当的参数，该耦合开关的长度可以减小到晶格常数的十倍数量级。如果晶格常数a为几百纳米级的话，则耦合开关的长度仅为微米数量级。这将有助于提高集成光路的集成度，从而实现体积更小、更为便捷的光子器件和子系统，推动未来光通信系统和网络的发展。
图1为本发明的慢光控制光子晶体耦合开关结构示意图。
图2为本发明实施例结构三条缺陷波导模式的色散关系图。
图3为本发明实施例结构中在不同输入情况下，第二条信号传输线缺陷波导对第一条信号传输线缺陷波导的输出消光比频谱分布图，即波导2的输出信号功率与波导1的输出信号功率之间的比值。
图3中，a为仅输入信号光时的输出消光比，b为输入信号光和慢光控制光时的输出消光比，c为输入信号光和非慢光控制光时的输出消光比。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明的慢光控制光子晶体耦合开关结构如图1所示。光子晶体材料的构成是在一种介电常数的背景材料中加入另一种介电常数的介质棒，介质棒按照矩形或六边形晶格排列，晶格常数为a。通过移除两排介质棒来实现两条信号传输线缺陷波导，分别标记为波导1和波导2。两条信号传输线缺陷波导除了和背景材料具有相同的介电常数外，还具有克尔非线性效应。波导1和波导2之间由奇数排介质棒隔开。改变位于这些奇数排介质棒中心的一排介质棒半径，使其成为控制光能够通过的线缺陷波导，标记为波导3。
在没有加控制光的情况下，频率为fs的信号光由波导1进入后，沿波导1传输，此时与波导2之间没有过多的耦合作用，大多数能量最终经由波导1输出。这样的模式即为普通的静态耦合器。
本发明选择能够通过控制光线缺陷波导的且群速度最低的光信号作为慢光控制光。通过分析开关频率对波数变化的能带结构来寻找群速度最低的控制光模式。带隙图中位于原本没有缺陷光子晶体带隙频率范围内的有三条传输模式，其中两条对应于信号传输线缺陷波导1和2，另外一条对应于结构中心处控制光传输的线缺陷波导3。在对应于控制光传输波导的模式曲线上，可以找到斜率接近零的点，其群速度最低。将这点的频率作为控制光的频率fp，则控制光为慢光。
在开关结构中加入慢光控制光，由波导3输入。在该控制光的作用下，光子晶体材料的电介特性发生变化，使原本由波导1输入的信号光fs的走向发生变化，在耦合作用下能量逐渐向波导2转移，最终大多数能量由波导2输出，从而实现了开关的状态改变。
实施例光子晶体材料的构成是在低电介率背景材料(ε＝2.1)中加入高介电常数(ε＝12)的介质棒，介质棒按照六边形晶格排列，晶格常数为a，介质棒的半径为0.2a。通过移除两排介质棒来实现两条线缺陷波导，分别标记为波导1和2。波导的材料除了和背景材料具有相同的介电常数外，还具有克尔非线性效应，克尔系数为3.25×10-9cm2/W。线缺陷波导之间由5排介质棒隔开。位于5排介质棒中心的一排介质棒半径为0.14a，作为控制光通过的线缺陷波导，标记为波导3。整个结构的长度为20a。本发明首先要求得该结构的光子带隙图，即图2中所示的线缺陷模式的色散关系图。图2中未被阴影遮盖的频率范围为原本没有缺陷的光子晶体的带隙范围，位于这一范围中有三条缺陷模式，分别对应于信号光传输模式和控制光传输模式。通过分析图中的传输模式曲线得到控制慢光的归一化频率(归一化频率＝晶格常数/波长)，即控制光传输模式曲线中斜率接近0的位置，以及信号光的范围。将中心频率为0.2853，谱宽为0.1的高斯信号作为输入信号，对不加控制光、加入慢光控制光以及加入非慢光控制光情况下波导2对波导1的输出信号消光比进行分析与比较，结果如图3所示。图3中，a为仅输入信号光时的输出消光比，b为输入信号光和慢光控制光时的输出消光比，c为输入信号光和非慢光控制光时的输出消光比。慢光控制光归一化频率为fp＝0.2834，非慢光控制光归一化频率为fp’＝0.266。在加入慢光控制光后，信号的输出状况与不加控制光时相比有较大的改变。而当加入非慢光控制光时，信号光的输出状态与不加控制光时相比未发生明显的改变。说明只有慢光控制光才能较明显的改变光子晶体开关的输出状态。选取信号光的归一化频率为fs＝0.2815，对其传输情况进行仿真，结果为当没有加入控制光时，信号光从波导1输入，经过该耦合开关传输，大部分能量由波导1输出，但仍有部分能量由波导2输出，消光比大约为2.5dB。当加入慢光控制光后，对耦合开关材料的电介特性产生影响，此时信号光仍由波导1输入，经过传输后主要从波导2输出，实现了主要能量的转移，消光比达到22.5dB。
本发明的开光状态改变情况、耦合长度以及消光比取决于所用光子晶体材料各组成部分的电介质特性和非线性特性以及介质棒的半径。通过分析结构的能带结构，可以适当调整结构参数，从而获得较好的耦合开关性能。这将有助于提高集成光路的集成度和降低操作功率，从而推动未来光通信系统和网络的发展。
权利要求
1.一种慢光控制光子晶体耦合开关，其特征在于在背景材料中加入与背景材料介电常数不同的介质棒，介质棒按照方形晶格或六边形晶格排列；通过移除两排介质棒来实现两条信号传输线缺陷波导，使两条信号传输线缺陷波导具有克尔非线性效应；两条信号传输线缺陷波导之间由奇数排介质棒隔开，改变位于奇数排介质棒中心的一排介质棒的半径，使其成为控制光线缺陷波导；选择能够通过控制光线缺陷波导的且群速度最低的光信号作为慢光控制光；慢光控制光从控制光线缺陷波导输入，使从某一条信号传输线缺陷波导输入的信号光的走向发生变化而从另一条信号传输线缺陷波导输出，从而实现开关的状态改变。
2.根据权利要求1的慢光控制光子晶体耦合开关，其特征在于所述背景材料及介质棒的介电常数在1到25之间，克尔系数在1×10-13cm2/W到1×10-8cm2/W之间；介质棒的半径在0.01a到0.5a之间，a是晶格常数。
全文摘要
本发明涉及一种慢光控制光子晶体耦合开关，在背景材料中加入与背景材料介电常数不同的介质棒，介质棒按照方形晶格或六边形晶格排列；通过移除两排介质棒来实现具两条有克尔非线性效应的信号传输线缺陷波导；两条信号传输线缺陷波导之间由奇数排介质棒隔开，改变位于奇数排介质棒中心的一排介质棒的半径，使其成为控制光线缺陷波导；选择能够通过控制光线缺陷波导的且群速度最低的光信号作为慢光控制光；慢光控制光从控制光线缺陷波导输入，使从某一条信号传输线缺陷波导输入的信号光的走向发生变化而从另一条信号传输线缺陷波导输出。本发明用较短的耦合长度动态地实现耦合开关状态的改变，有助于提高集成光路的集成度和降低操作功率。
文档编号G02B6/26GK101078851SQ200710043440
公开日2007年11月28日 申请日期2007年7月5日 优先权日2007年7月5日
发明者曲扬, 姜淳 申请人:上海交通大学