一種基于二維光子晶體的全光二級管的實現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于二維光子晶體的全光二級管的實現(xiàn)方法，利用FP腔與微腔的非對稱耦合，兩個腔相互干涉，透射譜上出現(xiàn)兩個分離的透射峰，輸入光正向入射時，局域在微腔中的光強大于反向入射時局域在微腔中的光強；選擇輸入光工作頻率為兩分離峰之間并靠近微腔的Fano峰的位置，由于微腔的光Kerr效應(yīng)，隨著輸入光的光強增加，正向入射時微腔的Fano峰比反向入射時先紅移到工作頻率，對輸入光達(dá)到正向?qū)?，反向截止的效果；具有高單向透射率、非常好的正反透射比、低閾值功率、可調(diào)工作波段等諸多優(yōu)點，是光網(wǎng)絡(luò)全光通信中一種重要的光無源器件。
【專利說明】一種基于二維光子晶體的全光二級管的實現(xiàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用光子晶體中介質(zhì)的非線性效應(yīng)來實現(xiàn)全光二級管的方法，尤其涉及利用二維光子晶體FP腔與微腔的非對稱耦合效應(yīng)來實現(xiàn)全光二級管的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的不斷進(jìn)步，信息量的日益增加，人們需要傳輸?shù)男畔⒘恳簿驮絹碓蕉?，現(xiàn)階段以電子為信息傳輸媒介的半導(dǎo)體器件已經(jīng)不能滿足人們的需求，新型材料光子晶體的出現(xiàn)能夠讓人們遇到的這些問題得到很好的解決，研宄光子晶體器件的功能以及性能成為以后為光集成鏈路中必不可少的環(huán)節(jié)。
[0003]全光二極管是指光從一端入射有透射光，而從相反的方向入射無透射光的光無源器件。類似于電子二極管具有正向?qū)?，反向截止的功能。本發(fā)明所設(shè)計全光二極管不包含磁場或泵浦源，僅由傳輸光控制，為被動型全光二極管。本發(fā)明具單向透射率高、高正反透射比、低閾值功率、工作波段可調(diào)等優(yōu)點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有全光二級管設(shè)計性能的不足而提出的一種新的基于二維光子晶體的全光二級管的設(shè)計方法，該方法設(shè)計新穎、靈活方便、性能優(yōu)異且能保證穩(wěn)定的工作。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種基于二維光子晶體的全光二級管的實現(xiàn)方法，利用FP腔與微腔的非對稱耦合，兩個腔的相互干涉，透射譜上出現(xiàn)兩個分離的透射峰，輸入光正向入射時，局域在微腔中的光強大于反向入射時局域在微腔中的光強；選擇輸入光工作頻率為兩分離峰之間并靠近微腔的Fano峰的位置，由于微腔的光Kerr效應(yīng)，隨著輸入光的光強增加，正向入射時微腔的Fano峰先紅移到工作頻率，輸入光正向?qū)?，反向截止?br> [0006]一種基于二維光子晶體的全光二級管的結(jié)構(gòu)，包括背景、構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱、反向入射端口 /正向透射端口、反向透射端口 /正向入射端口、晶格常數(shù)、波導(dǎo)、FP腔和微腔；所述FP腔包括可調(diào)FP腔介質(zhì)柱、修飾介質(zhì)柱和微腔對應(yīng)介質(zhì)柱。
[0007]所述構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱、所述可調(diào)FP腔介質(zhì)柱、所述微腔、所述微腔對應(yīng)介質(zhì)柱和所述修飾介質(zhì)柱的材料均為GaAs。
[0008]所述背景的材料為空氣。
[0009]所述構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱為圓形，其周期排列為六角格子或正方格子。
[0010]所述構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱之間距離為晶格常數(shù)，晶格常數(shù)用于調(diào)節(jié)光子晶體能帶范圍。
[0011]所述可調(diào)FP腔介質(zhì)柱的尺寸和位置，用于調(diào)節(jié)FP腔的峰值頻率。
[0012]所述微腔的尺寸和所述修飾介質(zhì)柱的尺寸及位置，用于調(diào)節(jié)微腔的Fano峰的Q值和透射率。
[0013]一種基于二維光子晶體的全光二級管的應(yīng)用，基于二維光子晶體的全光二級管應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)全光通信技術(shù)及其設(shè)備裝置。
[0014]本發(fā)明的基于二維光子晶體的全光二級管，導(dǎo)通狀態(tài)時，透射率可達(dá)到80%以上，截至狀態(tài)時透射率幾乎可達(dá)到0，正反透射比高；在實現(xiàn)方法中器件所需要的正向?qū)ǖ墓鈴婇撝岛苄。_(dá)到HiW量級，器件所需光功率小；具有高單向透射率、非常好的正反透射比、低閾值功率、可調(diào)工作波段等諸多優(yōu)點。屬于光無源器件，不包含磁場或泵浦源，其作用在光檢測、光開關(guān)、光邏輯門、光存儲、光計算機(jī)等方面有著廣泛的應(yīng)用，是光網(wǎng)絡(luò)全光通信中一種重要的光無源器件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為FP腔和微腔的相互干涉，透射譜上出現(xiàn)兩個分離的透射峰。
[0017]圖3為具有高Q值的微腔的Fano峰。
[0018]圖4為輸入光工作頻率為0.5626 ω a/2 π c時正反向透射端口隨入射光強變化透射圖。
[0019]圖5為輸入光工作頻率為0.5623 ω a/2 π c時正反向透射端口隨入射光強變化透射圖。
[0020]圖6a為圖4中正向輸入光強為0.3mff/ μ m正向截止光場分布圖。
[0021]圖6b為圖4中正向輸入光強為0.7mff/ μ m正向?qū)ü鈭龇植紙D。
[0022]圖6c為圖4中反向輸入光強為0.7mff/ μ m反向截止光場分布圖。
[0023]圖6d為圖4中反向輸入光強為1.5mff/ μ m反向擊穿光場分布圖。
[0024]圖中:101.背景，102.構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱，103.反向入射端口 /正向透射端口，104.FP腔，105.可調(diào)FP腔介質(zhì)柱，106.微腔，107.修飾介質(zhì)柱，108.微腔對應(yīng)介質(zhì)柱，109.波導(dǎo)，110.反向透射端口 /正向入射端口，a.晶格常數(shù)。

【具體實施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，一種基于二維光子晶體的全光二級管的實現(xiàn)方法，利用FP腔104與微腔106的非對稱耦合，兩個腔的相互干涉，透射譜上出現(xiàn)兩個分離的透射峰，輸入光正向入射時，局域在微腔106中的光強大于反向入射時局域在微腔106中的光強；選擇輸入光工作頻率為兩分離峰之間并靠近微腔106的Fano峰的位置，由于微腔106的光Kerr效應(yīng)，隨著輸入光的光強增加，正向入射時微腔106的Fano峰先紅移到工作頻率，輸入光正向?qū)?，反向截止?br> [0026]一種基于二維光子晶體的全光二級管的結(jié)構(gòu)，包括背景101、構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱102、反向入射端口 /正向透射端口 103、反向透射端口 /正向入射端口 110、晶格常數(shù)a、波導(dǎo)109、FP腔104和微腔106 ;所述FP腔104包括可調(diào)FP腔介質(zhì)柱105、修飾介質(zhì)柱107和微腔對應(yīng)介質(zhì)柱108。
[0027]所述構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱102、所述可調(diào)FP腔介質(zhì)柱105、所述微腔106、所述微腔對應(yīng)介質(zhì)柱108和所述修飾介質(zhì)柱107的材料均為GaAs。
[0028]所述背景101的材料為空氣。
[0029]所述構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱102為圓形，其周期排列為六角格子或正方格子。
[0030]所述構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱102之間距離為晶格常數(shù)a，晶格常數(shù)a用于調(diào)節(jié)光子晶體能帶范圍。
[0031]所述可調(diào)FP腔介質(zhì)柱105的尺寸和位置，用于調(diào)節(jié)FP腔104的峰值頻率。
[0032]所述微腔106的尺寸和所述修飾介質(zhì)柱107的尺寸及位置，用于調(diào)節(jié)微腔106的Fano峰的Q值。
[0033]一種基于二維光子晶體的全光二級管的應(yīng)用，基于二維光子晶體的全光二級管應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)全光通信技術(shù)及其設(shè)備裝置。
[0034]首先，調(diào)節(jié)微腔106的Fano峰的Q值。調(diào)節(jié)微腔106的尺寸和修飾介質(zhì)柱107的尺寸及位置，將微腔106的Fano峰具有較高Q值和透射率，如附圖3所示，其透射率達(dá)到90%，品質(zhì)因子Q=oq/A ω，ω。為峰值峰值頻率，Λ ω為峰半高寬。附圖3中微腔106的Fano峰的Q值經(jīng)計算大約為739。
[0035]然后，調(diào)節(jié)FP腔104透射峰的頻率。調(diào)節(jié)可調(diào)FP腔介質(zhì)柱105的尺寸和位置，將FP腔104透射峰的頻率低于并且靠近微腔106的Fano峰頻率，由于兩個腔的相互干涉，如附圖2所示，透射譜上出現(xiàn)兩個分離的透射峰。左邊峰為FP腔104的透射峰，右邊峰為微腔106的Fano峰，選擇入射光的工作頻率在兩分離峰之間并靠近右邊高Q值的窄峰位置。
[0036]最后，選定的入射光的工作光頻率為0.5626 ω a/2 c，其中ω為角頻率，a為晶格常數(shù)，c為光速。分別將入射光分別從正向入射端口 110和反向入射端口 103入射。由于非線性材料折射率為:n(x, z) =n0+n2E2 (x, z)，其中1?是材料在無光強照射下的折射率，112是材料的非線性系數(shù)，E2 (X，z)是局域的電場強度，隨著入射光的光強逐漸增強，微腔106在光Kerr效應(yīng)下的折射率不斷增加，微腔106的Fano峰往低頻方向移動，當(dāng)移動到和工作頻率一致，器件由反射變成透射狀態(tài)。由于結(jié)構(gòu)的非對稱性，正向和反向入射時光局域在微腔106中的強度不同，正向入射時的光局域在微腔106中的光強大大超過反向入射時局域在微腔106中的光強，反向入射的光需要更強的光強才能將微腔106的Fano峰移動到工作頻率處。附圖4顯示了入射光工作頻率為0.5626 ω a/2 c時正向透射端口 103和反向透射端口 110隨入射光強的變化曲線。在0.5-1.25 mW/μπι之間正向?qū)ǚ聪蚪刂?，所需光強閾值?.5mff/ μ m，其透射率可達(dá)到80%，當(dāng)反向入射光的光強增強到1.25 mW/ μ m時，反向入射的光擊穿全光二級管，從反向透射端口 110透射。
【權(quán)利要求】
1.一種基于二維光子晶體的全光二級管的實現(xiàn)方法，其特征在于，利用FP腔與微腔的非對稱耦合，兩個腔相互干涉，透射譜上出現(xiàn)兩個分離的透射峰，輸入光正向入射時，局域在微腔中的光強大于反向入射時局域在微腔中的光強；選擇輸入光的工作頻率為兩分離峰之間并靠近微腔的Fano峰的位置，由于微腔的光Kerr效應(yīng)，隨著輸入光的光強增加，正向入射時微腔的Fano峰先紅移到工作頻率，輸入光正向?qū)?，反向截止?br> 2.一種如權(quán)利要求1所述的基于二維光子晶體的全光二級管的結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括背景、構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱、反向入射端口 /正向透射端口、反向透射端口 /正向入射端口、晶格常數(shù)、波導(dǎo)、FP腔和微腔；所述FP腔包括可調(diào)FP腔介質(zhì)柱、修飾介質(zhì)柱和微腔對應(yīng)介質(zhì)柱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于二維光子晶體的全光二級管的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱、所述可調(diào)FP腔介質(zhì)柱、所述微腔、所述微腔對應(yīng)介質(zhì)柱和所述修飾介質(zhì)柱的材料均為GaAs。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于二維光子晶體的全光二級管的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述背景的材料為空氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于二維光子晶體的全光二級管的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱為圓形，其周期排列為六角格子或正方格子。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的基于二維光子晶體的全光二級管的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)介質(zhì)柱之間距離為晶格常數(shù)，晶格常數(shù)用于調(diào)節(jié)光子晶體能帶范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于二維光子晶體的全光二級管，其特征在于，所述可調(diào)FP腔介質(zhì)柱的尺寸和位置，用于調(diào)節(jié)FP腔的峰值頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于二維光子晶體的全光二級管，其特征在于，所述微腔的尺寸和所述修飾介質(zhì)柱的尺寸及位置，用于調(diào)節(jié)微腔的Fano峰的Q值和透射率。
9.一種如權(quán)利要求2所述的基于二維光子晶體的全光二級管的應(yīng)用，其特征在于，基于二維光子晶體的全光二級管應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)全光通信技術(shù)及其設(shè)備裝置。
【文檔編號】G02F1/35GK104460174SQ201410759307
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】劉彬, 劉云鳳, 何興道 申請人:南昌航空大學(xué)