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1、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 k
2、ey 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
3、 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
4、.Key word: optical switch, photonic crystal, all-optical switch1. 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，更为重要的是限 制了通信效率的提高。为了突破这一所谓的“电
5、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
6、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。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
7、要有Mach -Zender型光控光开关、平面反射型光开关、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。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提出了一种基于二维非线
8、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。-pOOOOOOOOOO 0 00000000 oooooooooo 00 ooooooooin _oooooooooooooooooooo oooodoooooooooooooooooooo|ooooo图1二维光子晶体波导光开关结构南京邮电大学陈鹤鸣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，
9、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。伊朗M.DjavidW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。E. ,1.匚* *
10、 * 1 * ；* : * I * 图3含环形谐振腔的光子晶体波导光开关结构E.P.KosmidouH2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【，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
11、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。 input Ap Output-t * 置mF弓淫空y注JInput B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
12、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. Figotin15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
13、。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.Yariv16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
