二维非线性光子晶体光开关的设计与仿真

【摘要】 光子晶体是一种介电常数周期性排列的人工介质，它对光具有可操纵性。将非线性材料运用到二维光子晶体中，即在普通二维光子晶体波导中引入非线性缺陷，通过控制输入光功率的大小，得到了不同情况下光波在波导中的传输情况，实现了 “开” “关”作用，实验结果表明，开关时间极短，大致在1013—～1014数量级。

【关键词】 光子晶体 二维 光开关

一、光开关的发展

世界市场光开关的需求量在九十年代初中期增长缓慢，只有数十万件。但在九十年代后期，随着全光网络的兴起、发展，经济信息化过程的加快，特别是全球范围光交换机及其交换矩阵系统市场需求猛增，系统设备销售2006年将增长至32亿美元，对光开关的需求将会急剧上升。据统计，世界光开关年销售增长率已达到13%。光开关在国内光无源器件市场所占份额较小，随着全光通信网络系统的开发、应用，国内市场需求量将会大幅度增长。

目前发展的光控光开关主要是以下几种：

（1）Mach-Zender型光控光开关；（2）平面反射型光开关；（3）克尔光开关；（4）NOLM（非线性环路境）开关，；（5）频移型（XPM型）光开关。

二、光子晶体光开关

利用光子晶体来实现全光开关的思想，最早是由Scalora在1994年提出来的。光子晶体全光开关的思想是指开始时一束探测光能够通过光子晶体，当一束泵浦光作用于光子晶体时，信号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。光开关的开关控制方式有电流注入、外加电场或光注入等，以此来控制折射率、光的吸收特性等。电流注入控制是利用注入载流子的寿命来限制开关速度，开关速度很难超过10GHz。外加电场控制时，则没有这种限制，但由于受到控制用的电子电路的带宽限制，按目前的技术状态，开关速度也被限制在100GHz左右。与此相反，采用光注入的光控光方式，不通过载流子就可以控制，所以可以实现超高速的开关。

2.1 二维非线性光子晶体光开关的设计与仿真

如图1所示，我们设计了一个含缺陷的二维光子晶体波导结构。背景介质为空气，介电常数为，普通玻璃介质柱半径为，其中为一个周期，折射率为，缺陷处为Kerr型非线性介质，其非线性系数为。由基础理论分析知，当三阶非线性系数为负时，随着光强的增大，介质的等效折射率减小。

激励源设置为高斯脉冲，，其中，，，分别为此高斯脉冲宽度和高度的的。时间步长的选择要求满足稳定性条件，且便于观察，因此我们取。输入光波沿箭头方向入射，宽度为，定义单位光功率为UnintPower。

当光子晶体中局部含有Kerr非线性时，由于非线性的作用，在光子晶体的带隙中存在丰富的孤子类电磁模，这些孤子类电磁模在带隙内形成部分透明的通带，并具有多稳态性质。当调整光的强度使之满足与孤子模共振的条件时，光子晶体对于频率位于线性截止带内的光将变成透明或部分透明。

通过仿真在不同输入光功率情况下光在波导中的传输情况，我们得出一组数据，记录在表1内。其中InputPower表示输入光功率，T（s）表示光波局域到非线性介质前经历的时间。

由此可见，当输入光功率小于0.12UnintPower时，光波完全局域在非线性介质处，即开关处于闭合状态；当输入光功率大于0.12UnintPower且小于0.25UnintPower时，光波在经历一段时间（T（s））后也总能局域在非线性介质处，即T（s）前开关打开，T（s）后开关闭合；而当输入光功率大于 0.25UnintPower后，光波直接沿着波导传输，即开关处于打开状态。由此可见，其中的T（s）就表示了开关的响应时间，因此该光子晶体光开关的响应过程极快，大致在1013—～1014之间。

三、总结与展望

自从1987年美国Bell实验室的E.Yablonovitch和Princeton大学的S.John各自独立地提出了“光子晶体”这一新概念以来，一场有可能引发未来光子技术革命的光子晶体研究序幕已经揭开。当前光子晶体的研究已经进入器件设计和应用阶段，我国中科院物理所的光子晶体和负折射组目前主要的研究内容中就有二维和三维光子晶体功能元件的理论设计、数值模拟和功能开发，以及二维和三维光子晶体的能隙移动效应和超快光开关功能，可见对于这种新型光功能材料器件的研究在我国光学领域已经成为研究的热点。

未来的光电子器件将可能朝着全光器件的集成发展。如果我们将各种光学器件用光子晶体来制造，并使用光子晶体波导集成在一块芯片上，无疑将大大提高光学器件的集成度，这种飞跃，好比电子电路从单一元件组合迈进集成电路时代一样。