光子晶体非线性效应全光开关研究

综述与论文2光子晶体非线性效应全光开关研究郭 延，朱建峰，张 含，冯云鹏，程澈波$（北京理工大学深圳研究院，广东深圳518057）摘要：全光化以其快速传输处理信息的优点已成为当前的研究热点，其中全光开关在全光化

中发挥着重要作用。本文利用平面波展开法与超原胞技术相结合的方法，对光子晶体结构的能 带分布进行了研究,并对其禁带特性进行了分析，确定了以四方晶系为结构基础进行全光开关

的设计研究。此外，在四方晶系结构基础上设计了波导与谐振腔耦合的全光开关结构，利用时 域有限差分法进行模拟仿真，对电磁场分布图进行了研究。并在此基础上对结构进行了设计优

化，使开关的性能得到提升。通过对光子晶体禁带特性的研究和对全光开关的仿真结果的分

析,本文证实基于光子晶体的非线性克尔效应可以设计出开关性能较为优异的全光开关结构， 并可减小全光开关的尺寸和反应时间。关键词：全光开关；光子晶体；克尔效应；平面波展开法；时域有限差分法doi： 10. 7517/issn 1674-0475. 190713Research on All-optical Switch Based on Nonlinear

Effect of Photonic CrystalGUO Yan, ZHU Jianfeng, ZHANG Han, FENG Yunpeng, CHENG Haobo*{Shenzhen Research Institute , Beijing Institute of Technology , Shenzhen 518057 , Guangdong, P. R. China）Abstract: The advantages of all-opticalization with its fast transmission processing have become the

curren7researchho7spo7'Among7hem!al-opicalswichesplayanimpor7an7roleinal-op7oligh7'In

7hispaper!7heenergybandofpho7oniccrys7als7ruc7ureiscalcula7edbyplanewaveexpansionme7hod andsuper-cel7echnology!and7heforbiddenbandcharac7erisicsareanalyzed'Through7heanalysis

of7heenergybandcharac7erisicsofseveralpho7oniccrys7als!7hedesignresearchofal-opicalswich

based on7e7ragonal crys7al s7ruc7ures is de7ermined'Based on7he7e7ragonal sys7em s7ruc7ure!7he2019-07-19 收稿，2019-08-21 录用深圳市科技创新计划资助项目(JCYJ20170817114937658, JCYJ20180307123639612)资助$通讯作者1516影 像 科 学 与 光 化 学第38卷al-opticalswitchstructurewith waveguideandcavitycouplingisdesigned'Thetimedomainfinite

difference method is used to simulate the electromagnetic field distribution map. On the basis of this, thestructurewasoptimizedandtheperformanceoftheswitchwasslightlyimproved'Bystudyingthe

forbiddenbandcharacteristicsofphotoniccrystalsandanalyzingthesimulationresultsofal-optical switches, it can be determined that the nonlinear Kerr effect based on photonic crystals can design an

al-opti2alswit2hstru2turewithex2elentswit2hingperforman2eandredu2ethesizeandrea2tiontime

ofal-opti2alswit2h'Key words： all-optical switch； photonic crystal； Kerr effect； plane wave expansion method； time

domainfinitediferen2emethod光子技术以其在带宽、容量和可并行处理等 方面的优点，逐步显示出巨大优势。在通信方面,

势8;非线性干涉仪型全光开关主要包括两种类

型:非线性光纤光栅型、光放大型8 ;光学双稳态 全光开关主要包括折射型和反射型两种光纤光缆通信已逐步替代电缆通信;存储方面，已

）,*。其

0有的光盘代替了磁盘;还有正在研究的全息存储 技术，都显示出极大的优越性。但是在信息处理

中纳米光子学全光开关具有体积小巧、反应速度

快等优点，成为目前研究的主要方向，特别是光子 晶体，经过多年的探索，研究光子晶体的方法和技

的逻辑计算和通信的全光网络方面，仍然是电子 技术占据着信息调制的主导地位，主要原因在于

术日渐成熟。目前还没有实用性的全光开关和全光逻辑门E。 全光开关的商业商品化也成为了目前全光网络发 展的瓶颈所在。与传统电子技术相类比，全光开

目前谐振腔和波导耦合结构是全光开关以及

全光逻辑门一个重要的研究方向。通过大量的研 究，全光开关的实际应用必须降低控制光的功率,

关相当于电子技术中的晶体管，要求全光开关通 以实现利用功率等于甚至低于信号光的控制光，对

过控制光,实现对信号光的调制，且不涉及其他能 量形式的转换。全光开关目标要求控制光功率与 信号光功率相近或者远小于信号光，开关的反应

信号光进行调制。本文主要对纳米光子学型中的 光子晶体型全光开关进行研究，讨论了在四方晶系

结构中设计的波导与谐振腔耦合的全光开关。速度更快，可以达到皮秒数量级囚。全光开关要 求用光调制光，但是由于光子间的相互作用极弱， 不

光子对光子的

1四方晶系波导与谐振腔耦合模型， 所 光开关的现就需要利用非线性光学来处理,这也成为了全

1.1简单3X3型谐振腔耦合在光子晶体结构内,通过剔除介质柱引入一个

光开关发展的一个难点。光开关的设计研究已经 进行了多年，积累了丰富的经验3。例如需要通

线缺陷，形成一个直波导，然后在直波导的一侧引 入一个谐振腔，如图1所示，主要对四方晶格光子晶

过外加能量源改变材料特性的电光开关4和热光 开关，另外还有利用声波控制反应速度达到ns级

体中引入3X3型光子晶体谐振腔进行设计优化。首先对该环形谐振腔进行分析研究，通过在

别的声光开关。目前全光开关的类型主要可以分 为纳米光子学型、非线性干涉仪型、光学双稳态

光子晶体中剔除16根介质柱，设计成如图2所示

型，其中纳米光子学型全光开关主要包括:纳米波 导共振环型、光子晶体型、表面等离激元型3种类

的环形谐振腔，该光子晶体介质柱材料为非线性 材料,有效折射率为3.1,克尔系数为9X1017 m#W, 介质填充比为0. 2,晶格常数为0. 50&m。通过在型，光子晶体型57和表面等离激元具有明显优

第1期郭 延等:光子晶体非线性效应全光开关研究17内 一个激励和监测器，就可以对 : 对该 用FDTD进行分析,设置边界为完腔的谐振进行分析，从而求出其谐振波长。大量 全匹配层，通过监测器可以得到该谐振腔的谐振 波长。按照上述预置参数进行计算，得到如图

研究证明，激励和监测器只要不在对称位置即可 求解谐振腔的谐振频率。利用MtLAB仿真软件3(a)所示的结果，图中横坐标为波长，纵坐标为监谐振腔直波导

图1四方晶系中环

5000 丁4000­

振腔Monitor label,

type, location:Mon#210砖,(1,0, 0.5)图2 环unwAjoU0W 七

unwAjouow3000­2000­

七

0011000-~I~~~I~~I~I~~I~~I~~~I~I~II~I~~I~I~~I~~I~I~~I~~I

0 1 2 3Wavelength / nm(a) Period=0. 5, Pro=0. 2, n=3. 1Wavelength / nm(b%Period=0506, Pro=02, n=312000-unwAjoU0W

1000- 七

0

I ~~iii | i i i i | i i i i |~ T i i i ( i i U | i i i i

1 2 3Wavelength / nm(c) Period=0. 5, Pro=0. 2, n=3. 13图3 果图18影 像 科 学 与 光 化 学第38卷测器扫描到的结果,其值为e：从图中可以得到

与波导耦合设计全光开关。本文设计了如图4所

在预置参数下该谐振腔在1. 55 &m范围内不存在

谐振。通过多次修改参数！

示的波导与谐振腔耦合型的全光开关结构，并对 其进行了模拟仿真计算。入射波长为第三光通信

3(b)所示的结果，即当晶格常数为0. 506 &m,介质填充比取

0. 2,折射率取值3. 1时！ 的谐振波长趋向 于1.55&m。因为采用三阶非线性材料，当入射

波长1. 55 &m,将A端口设置为信号光入射端口,

B端口 为信号光出射端口，同时A端口也为 控制光入射端口。当没有控制光入射时,该光子 晶体介质柱折射率为3. 1,1. 55 &m波长的少量入

光波光强增大时，由公式n = n +n2 X I可知，将

介质柱的折射率增大。在其他参数不变的

情况下，将介质折射率增大为3. 13时，得到如图 3 ( c)的结果，可以看出在折射率增大后该谐振腔

射光进入谐振腔后不会发生 ，所以大部分光 波从B端口出射。Ey电场分量分布如图5所示,

监测器可以监测到，输出端输出达到稳定时，其值

为0. 7,输入值为1规定输入为0. 6以上可以看

的谐振频率也会随之变化，导致波长为1. 55 &m 的光波不会在腔内发生谐振。作逻辑10. 2及以下看作逻辑0,所以可以看作开 关导通。通过以上分析可以知道，该结构谐振器可以图4波导谐振耦合结构示意图(a)电磁场Ey变量分布图图5开关开启状态(b)监测器Ey值第1期郭 延等:光子晶体非线性效应全光开关研究19增大入射光强后，强光入射导致介质 ’腔的 长同样发生变化,入射的光波大 -射率增大，当'n = 0. 03时,谐振腔的谐振波长包 局限在谐振腔内，只有部分光波出射，可以认为达

括1. 55 &m,从而波导中传输的信号光会耦合进

，并且只有极少的信号光会泄出，输出端

检测到的光波功率&0. 1可以看作逻辑0,从而达

到了开关的关闭功能，而且该开关的该结构尺寸

大约为50. 094 &m2。虽然该结构实现了光开关的

功能特性昇旦是开启和截断状态性能有待提高,所 以在此基础上对开关的结构进行修改优化。到对信号光截断的目的。对比该光子晶体全光开关的两种状态结果图

1? 圆角3X3型谐振腔耦合（见图6）可知，当入射光强较低时，介质柱的有效 在简单谐振腔的4个内角上添加介质柱（蓝 色部分）来减小散射损耗,以提高Q值。如图7所

示，通过调节光子晶体的结构参数,得到该结构中 晶格常数为0. 52 &m,介质填充比为0. 2,介质同 为三阶非线性克尔材料，其

折射率为3. 1光波大部分通过直波导出射，可以

认为开关处于导通状态；当加大入射光强时，即信 号光和控制光同时入射，由于非线性克尔效应的 影响,使得介质的有效折射率增到3. 17,导致谐振射率仍为3. 10图

6 图7圆角谐振腔光开关结构示意图20影像科学与光化学第38卷光 弱、有 射率为3.1时,边界同样设置 内并不发生 ，所以大 光 从 出射;

为完全匹配层，用时域有限差分法对该开关结构 图8(b)中可以看出，当L = 1500 &m时该开关基

进行计算分析，得到如图8所示的结果。图8(a)中可以得到，当折射率为3. 1时，光波 从左侧入射，部分光波进入谐振腔,但是在谐振腔

Contour map of Ey

00000000000 0 0 000000000000 0 0 000000000000 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0本达到稳定状态,监测器监测到Ey的值约等于2

左右，可以认定为处于光开关的开通状态，实现了

全光开关开启的功能。1 „0000000 0 0 XI |JimcT/|±mb) 监 器 Ey 值图8光开关开启状态(a)电磁场Ey变量分布图该材料的克尔系数为9. 0X10'17 m2/W,当控

制光与信号光同时入射时,也可以认为增大入射

腔的耦合波长为1. 55 &m,所以光波全部在谐振

腔内发生谐振并产生 ，只有极少量的光波会 从右端口出射，可以认定为处于光开关的关闭状

光强，有效折射率增大为3.17。通过利用FDTD

进行计算，得到了如图9所示的结果。态，实现了全光开关的关闭功能。通过FDTD计 算仿真该结构的光子晶体全光开关，可以看出通

过添加4个散射柱，使得光子晶体全光开关的性

O从图9(a)可以直观得到，光波从左侧入射，在 经过谐振腔时,光波耦合进谐振腔,并且此时谐振Contour map of Ey1.00000 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00000000000000000000 0 0 000000000000 000000000 0On-EA」O.O.O.O. 8 6 N °： 七

0 UO2-1 -—2 -- O

0

4 000000—3 --4-' I ' I ' I ' I ' I ' I - 0 0 2 -4 -3 -2-10 1X/ |Jim2

1 ' I ' I3 4-1.0OcT / |Jim(b)监测器Ey值(a)电磁场Ey变量分布图图9光开关关闭状态第1期郭延等:光子晶体非线性效应全光开关研究21能得到提升，对比图5和8可以看出，开启状态

下，光波的通过率得到了极大的提高，对比图6和

参考文献：孔祥鼎.电子技术应用系统发展现状电子技术与软件

图9,可以看出在开关关闭状态下，该光子晶体全 光开关的输出端的输出光波一定程度上降低，总

体性能得到了提升，该结构的尺寸大约为

工程，2017, (1)： 115-116.KongX D Statusofdevelopmentofelectronictechnology .*applications[J Electronic Technology & Softxvare Eng--

neering，2017，(1)\"115-11651.48 &m?。通过基于四方光子晶体设计了二种

结构的全光开关，经过对比可以发现，通过添加散

* Zhang H，Wen P，Esener S. Cascadable all-optical inverter [2based on a nonlinearvertical-cavitysemiconductoroptical

射柱和添加波导可以使得开关性能得到一定程度

amplifier). Optics Letters，2007，32(13)： 1884-6.*的改善。2总结本文利用平面波展开法与超原胞技术相结合

的方法，对光子晶体结构的能带分布进行研究，对

其禁带特性进行分析。利用时域有限差分法与快 速傅里叶变换相结合，对电磁场在光子晶体中的

传播进行计算，可以得到电磁场在光子晶体内传

播时电场和磁场的分布图像。首先利用平面波展

开法对光子晶体结构的禁带特性和局域特性与介

质折射率和填充比的关系进行探究，通过对结果

的分析，确定光子晶体的主要结构参数，依据该结

构参数设计光开关结构（然后利用时域有限差分 法与快速

对 计的 光开关真，分析其传输特性，并根据仿真结果对光开关结 构进行修改优化。通过对几种光子晶体的能带特析! 方晶 为 行 光开关的设计研究（主要在四方晶系结构基础上设

计了波导与谐振腔耦合的全光开关结构，用时域

有限差分法进行模拟仿真,对电磁场分布图进行

了研究。然后又在此基础上对结构进行了设计优

化,使开关的性能得到了提升。*[3 ToshiyoshiH, Fujita H. Electrostatic micro torsion mirrors for an optical switch matrix [J *. Journal of Microelectro-

mech System, 1996，5(4)： 231-237,*[4 Feng Z M, Gao P, Xie M. Driving system of electro optical switch with plasma electrodes [J*. High Poxver Laser and

ParticleBeams， 2004， 16(9)\"1171-1174*) Yablonovith E. Inhibited spontaneous emission in solid state physics and electronics] J.*

Physical Review Letter, 1987, 58\"2059-2062[6* JohnS Stronglocalizationofphotonincertaindisordered

dielectric superlattices [ J *. Physical Review Letter, 1987,

58\"2486-2489'*) Yoshinori K, Nobuhiko O. Sequential operations of quan­tum dot/photonic crystal all-optical witch with high repeti­

tive frequency pumping).* Journal of Lightwave Techno-

l$gy， 2009，(27)\"1241-1247'[8* KensukeI，JalilA， NamikiS'Opticalquantizingandcoding

forultrafastA/Dconversionusingnonlinearfiber-opticswit-

ches based on sagnac interferometer [ J *. Optics Express,

2005， 13(11)\"4296-4302'[9* NaqaviA， Zahra M H， HoomanA'Opticalbistableswitc-

hing with Kerr nonlinear materials exhibiting a finite responsetimein two-dimensional photonic crystals [J *'SPIE，2010，7713\"1-6'[10* HamedP， VahidA'Al-opticalbistableswitchingbasedon

photoniccrystalslabnanocavityusingnonlinearKerefect

[J*. Journal of Modern Optics , 2013, 60(3) : 103-108.