CN102231034B - 利用可调性光子晶体自准直效应的光束调节器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用可调性光子晶体自准直效应的光束调节器及应用。其特征在于在自准直效应的频率范围内，该器件具有特殊的光束控制原理。利用可调介质参量，例如非线性极化率，和光子能带结构的相互作用，对自准直点附近的色散性质进行调节，能够实现可调谐自准直，发散角连续可调，自锁式自准直，和特殊自感透明等独特的功能。这些功能在光集成和光互联中意义重大，能被用于设计可调式自准直波导，自锁式束宽调节波导，束宽控制器，可调式扩束镜、耦合镜，以及亚皮秒级高速光开关等。

Description

利用可调性光子晶体自准直效应的光束调节器及应用

技术领域

本发明涉及一种利用可调性光子晶体自准直效应的光束调节器及应用，更确切地说，本发明结合了光子晶体自准直效应和介质的可调性，使得光子晶体自准直点附近的色散关系能够人为控制，从而实现崭新的光学调控功能。属于光信息技术领域。

背景技术

光集成技术在光通讯、光计算，和光传输中具有潜在的重要应用，因此受到广泛关注1.[S.L.Lin，E.Chow，V.Hietala，P.R.Villeneuve，J.D.Joannopoulos，Experimental Demonstration of Guiding and ending of Electromagnetic Waves in a PhotonicCrystal，Science 282，274(1998)]，2.[H.Kosaka，T.Kawashima，A.Tomita，M.Notomi，T.Tamamura，T.Sato，and S.Kawakami，Photonic crystals for micro lightwave circuits usingwavelengthdependent angular beam steering，Appl.Phys.Lett.74，1370(1999)]。光子晶体结构由于具有高各向异性和复杂的色散特性，不但具有宏观光学***的光信号处理功能，而且由于其小尺寸和易集成的特点使其在光集成领域具有明显独特的优势，并已有很多应用。其中，通过光子晶体自准直传播实现无衍射的自导波和分波技术已在理论1.[M.Notomi，Theory of light propagation in stronglymodulated photonic crystals：Refractionlick behavior in the vicinity of the photonic band gap，Phys.Rev.B 62，10696(2000).]，2.[X.Yu and S.Fan，Bends and splitters for self-collimatedbeams in photonic crystals，Appl.Phys.Lett.83，3251(2003)]和实验1.[H.Kosaka，T.Kawashima，A.Tomita，M.Notomi and T.Tamamura，T.Sato and S.Kawakami，Self-collimating phenomena in photonic crystals，Appl.Phys.Lett.74，1212(1999)]，2.[D.M.Pustai，S.Shi，C.Chen，A.Sharkawy，and D.W.Prather，Analysis of splitters forself-collimated beams in planar photonic crystals，Opt.Expr.12，1823(2004)]上得到了证实，它具有利用光子缺陷模导波无法比拟的优越性。但是，由于光子晶体色散效应的存在，自准直及其相关设计都有很强的频率依赖，因此很大程度上限制了应用。另一方面，可调光子晶体的研究在近十年得到了广泛研究，并在液晶、半导体、有机物、胶体材料和超导体等材料中实现，但其应用一般限于调制缺陷模。本发明试图结合了光子晶体自准直和介质可调性，能够灵活调节自准直点附近的色散关系，从而实现新的光学调控功能。

发明内容

本发明结合了光子晶体自准直和介质的可调性，通过介质的可调性调制自准直点附近的能带性质，很大程度上拓宽了自准直范围，而且实现了发散角连续可调、自锁和特殊自感透明等崭新的光学调控功能，是一种多功能光学器件。下面对该器件的功能原理进行详细说明：

器件结构如图1a，二维空气孔正方格子光子晶体晶格常数为a，空气孔半径r＝0.35a，材料线性折射率n₁＝n₁ ⁰＝3.46。对于横磁(TM)偏振态入射，图1b为无调制时的等频面图，显然当ω⁰ _s＝0.18(2πc/a)时，在[11]方向上出现大角度的自准直传播。图1所示为沿Γ-m方向的第一能带图，其中自准直点S位于{ω⁰ _s，k⁰ _s}，k⁰ _s＝0.537(2π/a)，该点的场分布表示在插图1a中。图1中虚线给出了在引入折射率微扰时的能带，正微扰导致自准直点S’红移(ω_s＜ω⁰ _s)，负微扰则S”蓝移(ω_s＞ω⁰ _s)。光子晶体的可调性为三阶光学非线性，实现方法为：在光子晶体材料中掺入Kerr介质材料。于是材料折射率成为光强的函数：n₁＝n⁰ ₁+Δn＝n⁰ ₁+χ⁽³⁾|E|²/n⁰ ₁，其中Δn是非线性导致的折射率移动，χ⁽³⁾为三阶非线性极化系数，且χ⁽³⁾＝1×10^-17～10^-18m²/V²。

本发明提出的一种利用可调光子晶体自准直效应实现光束控制的方法其特征在于在光子带隙材料中掺入光学可调介质或非线性材料，调节材料的折射率，以改变自准直点附近的光子能带性质。介质可调性来源于材料的电磁、温度、和力学等效应；所述的非线性材料为有机或无机材料，如聚四氟乙烯，金属Cu或Cr纳米团簇颗粒，具有强的光学非线性Kerr系数。

引入光学非线性可调性，移动后新的自准直频率ω_s表示为：

ω_s＝ω⁰ _s-αχ⁽³⁾|U₀|²k⁰ _s，         (1)

式中ω⁰ _s是线性自准直频率，α为与非线性无关的正常数系数，χ⁽³⁾为非线性Kerr系数，U₀是光束峰值振幅，k⁰ _s为自准直点的Bloch波矢。当χ⁽³⁾＞0，自准直点ω_s向低频方向移动(ω_s＜ω⁰ _s)；当χ⁽³⁾＜0，ω_s向高频移动(ω_s＞ω⁰ _s)。满足自准直的入射光强为I_s＝(n₁)²ε₀|U_s|²c≈(ω⁰ _s-ω)(n₁)³ε₀c/αχ⁽³⁾k⁰ _s。其中n₁为能量集中区域的折射率，ε₀和c分别为真空介电常数和光速。

从式(1)知：控制入射光强|U₀|²或非线性系数χ⁽³⁾，可以灵活调节光子晶体的能带性质。

能带性质的改变可以实现新功能以及其新应用，下面将进行具体说明之：

(1)频率可调式自波导和光束发散角度控制功能：利用上述器件，高斯入射光通过波导耦合进非线性光子晶体中，则对不同的入射条件，可以实现光束的会聚、发散和自准直。当入射频率ω＝0.17(2πc/a)略小于自准直频率ω⁰ _s，对无非线性调制或弱调制，由等频图1b可知光束将发散，图2a上图描述了该情形；若入射光足够强，以至于把自准直频率调制到工作频率，即ω⁰ _s＝ω，将产生光束自准直，如图2a下图所示。自准直频率的可调性意味着光束能够在更大范围内实现自准直传播。根据式(1)，非线性可调自准直光束的光强可以近似表示为：

I_s＝(n₁)²ε₀|U_s|²c≈(ω⁰ _s-ω)(n₁)³ε₀c/αχ⁽³⁾k⁰ _s    (2)

可调性与自准直的相互作用不但实现了可调谐的自准直波导，而且也提供了连续调节透射光散射角的机制。通过调节自准直点与工作频率的关系，光束发散角可以从发散连续调节成会聚。数值实验证实了这一调制机制，结果见图2b。发散角的连续调制可以在微集成光路中用作扩束镜或者能量耦合镜。

上述结果是在Kerr系数χ⁽³⁾＞0的情况下得到的，同样的结果也能在χ⁽³⁾＜0下得出。

总之，利用本特性设计的可调式光子晶体波导是通过调节入射光强I＝I_s，使ω＝ω_s，实现频率可调的自波导；设计的可调式扩束镜，耦合镜是依不同的扩束或耦合要求，调节I使ω＜ω_s或者ω≥ω_s，实现光束的发散、准直或全聚，调节范围为-1-4°。

(2)自锁式自准直功能：对于χ⁽³⁾＜0，在自准直点附近存在一特殊性质，即当入射光强I较弱时，I＜I_s(或较强，I＞I_s)，自准直点ω_s没能得到足够的调制，使得ω＞ω_s(或ω＜ω_s)，根据等频图1b可知光束汇聚(或发散)，于是光强I变大(或变小)。该过程使得光束汇聚(或发散)光强I变大(或变小)直到满足I＝I_s与ω＝ω_s，达到某一自锁的准直稳定状态。很明显，自锁准直的物理机制是建立了一种负反馈的过程，使得当光束频率ω偏离ω_s时，能通过自动调节光束大小回复稳定状态。因此利用自锁实现自准直相对比较容易些。而且，利用自锁还能灵活调节自准直光束的束宽d。假设光束总能流为W，自锁准直束宽可以有下式估算：

d_SLOC≈W/Is(n₁)²∝Wχ⁽³⁾/|ω-ω⁰ _s|            (3)

自锁准直演化过程如图3所示。自锁在集成光路中是重要的，因为它能用作微***中的束宽可调波导。对于正的χ⁽³⁾，自锁也同样存在，但需要在高阶光子能带中实现。自锁能被用于设计光子器件，例如：由于自锁准直的波前是平的，所以能被用作不同宽度波导的高效耦合器，束宽调节器或波导连接件，利用的是不同的入射光强I，实现不同束宽的准直自锁。

(3)高速开关功能：上面所述的光束控制性质能被用于设计新型光子器件。作为一个例子，下面我们利用可调自准直设计出高速光开关。对于ω＜ω_s情形，当入射光强I＜I_s，由图1b可知光束发散，这一方面造成透射光强减弱，另一方面由于光子晶体的有限尺寸，光在侧面边界发生透射损耗。随I的增大，光束发散角减小，而且侧边损耗也降低，透射率增大。我们考虑一个长、宽的二维光子晶体的透射率T。透射率定义为T＝J/J₀，J为透射功率，其探测宽度和光源相同，J₀为入射功率。图4中，星线给出透射率随非线性折射率的变化，可以看出自准直透射率(开)比无调制情形(关)约大三倍。这可以认为是一种新型的“自感透明”。为表明其高速开关性质，我们考虑对波长λ＝1.55μm电磁波的开关过程，假设入射光在0.046ps光强由1.76×10¹⁴(V²/m²)变化到4.75×10¹⁵(V²/m²)，图4实线记录了探测点光强的时间演化，可见开关过程很快，小于1ps。所以，这一特性可以用作设计亚皮秒级高速光开关。

上述可调谐自准直、发散角连续可调和自锁都是基于光子晶体自准直点附近的独特色散性质。在我们的数值实验中，由于受计算时间和内存限制，所用体系远比实际体系小，为看到调制效果采用了较大的非线性系数(某些情形，相对非线折射率～10^-2量级)。通过优化结构，非线性系数可以降低一个量级。另外，也能够利用高光子能带降低对非线性强度的要求。除了具有一般自准直光子晶体群速度适中、工艺要求低的特点外，非线性光子晶体自准直还有如下优点：首先是能够在更大的频率范围实现自准直、甚至自锁准直，使得自准直在***集成中功能更强大；其次，发散角连续可调和自锁可通过外部可控参量进行连续调节，例如能由入射光或外部泵浦功率进行控制；第三，可以在单芯片上实现多功能，例如宽度调节波导，所以非常适合于制作集成光器件；第四，可以通过制作线缺陷的方法，制作可调谐的光束偏转器和分束器。

综上，自准直与可调性相互作用为光集成提供了一新视角，新型的相互作用提供了调谐自准直，发散角连续可调和自锁式自准直等独特的新特性和新功能，能被用于设计可调式自准直波导，自锁式束宽调节波导，束宽控制器，调式扩束镜、耦合镜，以及亚皮秒级高速光开关。

附图说明

图1沿Γ-M方向的第一光子能带图。实线表示折射率无调制情形，n₁＝n₁ ⁰＝3.46；虚线分别表示折射率作向下和向上微调的能带；自准直点分别由S、S’和S”标出。插图a所示为自准直模S的场分布，深色区域为能量较集中位置，圆圈为空气孔。插图b所示为无调制时，第一能带的等频面图，自准直等频线位置为ω＝0.18(2πc/a)。

图2a.非线性光子晶体中稳定光束的场分布，对应不同的平均场强度：上|U₀|＝2.6×10⁷(V/m)；下|U₀|＝9.2×10⁷(V/m)。粗黑线表示探测区域。b.光束发散角随入射场变化曲线，Δθ＝tan^-1(ΔW/L)，是光源到探测面的距离，ΔW是探测面上光束半宽。

图3光束宽度随传播距离的关系曲线。宽入射光束逐渐演变成具有确定宽度的自锁准直光束。计算参数是ω＝0.1835(2πc/a)＞ω⁰ _s，|U₀|＝3.2×10⁷(V²/m²)，χ⁽³⁾＝-2.28×10^-17(m²/V²)。

图4星线为透射率随可调折射率Δn＝χ⁽³⁾|U₀|²的变化曲线。实线为入射快速变化后，透射光强的时间演化。计算参数同图2。

具体实施方式

在硅衬底材料中通过粒子注入方法加入金属纳米团簇颗粒，例如：Cun、Crn等，金属纳米团簇颗粒作为非线性材料具有强的光学非线性Kerr系数。然后，在注入掺杂的衬底上利用光刻工艺刻蚀出圆孔，制成光子晶体待用。

实施例1：在光集成芯片中，由于尺寸限制，制作准直透镜和导波光纤是很困难的事，利用本发明则可以把二者集合成一个致密器件，作为自准直波导应用。而且本自准直波导具有比较宽的调谐范围，能在波长1.3～1.55μm的光谱范围内实现比较好的自准直。

实施例2：在光互联网中，能够利用本发明实现光束的聚焦和发散，从而代替传统的光学透镜，发散角可以通过控制入射光强自动调节，调节范围为：-1°～4°。所以，可以利用本发明制作光束控制和耦合器件。

实施例3：在光存储和光计算中，光开关的响应时间直接决定了存取时间和计算速度。利用本发明作为光开关，响应时间为皮秒量级，比目前电子开关的速度提高了1000倍，开关透射率比达到3∶1，有较高的对比度。

Claims (4)

1.一种利用可调性光子晶体自准直效应的光束调节器的应用，其特征在于控制入射光强或非线性Kerr系数χ(3)，调节光子晶体的能带，在波长1.3-1.55μm的光谱范围内实现自准直，光子晶体的可调性为三阶光学非线性，用于设计可调式自准直波导、自锁式光子晶体束宽控制器或亚皮秒级高速开关。

2.按权利要求1所述的光束调节器的应用，其特征在于用于可调式自准直波导是通过调节入射光强I＝Is，使ω＝ωs实现的；可调式扩束镜、耦合镜是依不同的扩束或耦合要求，调节I使ω＜ωs或者ω≥ωs，实现光束的发散、准直或全聚，调节范围为-1-4°；式中ωs为移动后新的自准直频率，ω为入射频率，Is为自准直的入射光强。

3.按权利要求1所述的光束调节器的应用，其特征在于自锁式光子晶体束宽控制器是利用不同的入射光强I，实现不同束宽的准直自锁。

4.按权利要求1所述的光束调节器的应用，其特征在于所述的亚皮秒级高速光开关自准直透射率比无调制时大三倍，即开关透射率比达3∶1，比电子开关的速度提高了1000倍。