[发明专利]一种全光开关及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及全光开关技术领域，特别涉及采用一维多层膜结构的光子晶体全光开关及其设计方法。

背景技术

光子晶体是折射率随空间周期性分布的结构，具有光子禁带和光子局域化是光子晶体的两个最根本的特征，频率在光子禁带中的光波不能在光子晶体中传播。全光开关是一种重要的集成光子学器件，完全利用光子与物质的相互作用来实现对光束的传输过程进行有效的“开”、“关”控制作用，在光通信、光计算机和快速光信息处理等领域具有非常广泛的应用前景。光子晶体具有光子带隙，因而基于光子晶体的全光开关比传统的全光开关具有更大的优越性。

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。光子晶体全光开关主要是利用带隙或缺陷的迁移机制、非线性频率转换、光子态密度、双稳态效应以及波导和微腔的耦合效应等来实现的。光子晶体全光开关有三大特征：快速响应时间、高开关效率和低泵浦光强。实际应用中，泵浦光的峰值强度是有一定的阈值的，当光强超过阈值时，器件很容易被打坏。然而，要获得较高的开关效率，大多数要以高泵浦光强为代价，目前关于光子晶体全光开关的报道中提及的泵浦光强大多是GW/cm²数量级的，这极大的限制了光子晶体全光开关的应用。

要降低泵浦光的强度并同时实现高开关效率，除了利用具有较大非线性系数的材料外，在结构设计上通常使用两种途径：其一是利用光子禁带微腔的强光子局域效应来增强光与物质的非线性作用，也即提高泵浦光在非线性材料中的局域程度；其二是降低信号光通过的线宽，也即提高信号光通道的Q值，从而只需使光谱有微小的移动就能实现开关效应。通常人们只能利用途径1或者途径2来降低泵浦光的功率，效果不太明显，具有一定的局限性。

发明内容

为了解决现有全光开关所存在的泵浦光强高，以及所采用的降低泵浦光功率的途径单一、效果不太明显等技术问题，本发明的首要目的在于提供一种全光开关设计方法，综合利用了降低泵浦光功率的途径，有效地降低了泵浦光的阈值强度。

本发明的另一目的在于提供一种泵浦光的阈值强度低的全光开关。

本发明的首要目的是这样实现的：一种全光开关设计方法，其特征在于包括以下几个步骤：步骤101，在第一介质层A与第二介质层B交替堆叠的多层膜结构中掺入一个中心缺陷层C或两个对称缺陷层C，再在多层膜结构中远离缺陷层C的两端对称地掺入两个侧边缺陷层D；第一介质层A与第二介质层B的折射率比大于1.1，两相邻的第一介质层A与第二介质层B组成一个周期的介质膜；侧边缺陷层D与缺陷层C间隔N个周期的介质膜，以避免侧边缺陷层D与缺陷层C发生相互耦合作用，其中N大于或等于6；步骤102，调节缺陷层C的参数，获得两个缺陷模；然后设置侧边缺陷层D的光学厚度，使得两个侧边缺陷层D产生的缺陷模与缺陷层C产生的缺陷模之一重叠，从而获得两个具有不同Q值的缺陷模，两个缺陷模的Q值比为2-4；步骤103，将低Q值缺陷模设置为泵浦光通道，高Q值缺陷模设置为探测光通道。

在上述全光开关设计方法中，当步骤101中掺入一个中心缺陷层C时，步骤102中所述缺陷层C的参数为中心缺陷层C的光学厚度；优选地，中心缺陷层C的光学厚度为n×λ₀/4，n取大于3的奇数，λ₀为中心波长。

在上述全光开关设计方法中，当步骤101中掺入两个对称缺陷层C时，步骤102中所述缺陷层C的参数为两个对称缺陷层C的光学厚度及它们之间的距离；优选地，两个对称缺陷层C的光学厚度为n×λ₀/4，其中1＜n＜3，λ₀为中心波长，且间隔2至6个周期的介质膜。

在上述全光开关设计方法中，所述第一介质层A、第二介质层B的光学厚度均为四分之一波长；第一介质层A、缺陷层C、侧边缺陷层D选用同一种非线性材料。

本发明的另一目的是这样实现的：一种全光开关，为主要由第一介质层A与第二介质层B交替堆叠而成的多层膜结构；所述多层膜结构的中部设有一个中心缺陷层C或两个对称缺陷层C，两端设有两个侧边缺陷层D，侧边缺陷层D与缺陷层C间隔N个周期的介质膜，其中N大于或等于6；泵浦光通道为缺陷层C和侧边缺陷层D所产生的两个缺陷模中Q值较低者，探测光通道为缺陷层C和侧边缺陷层D所产生的两个缺陷模中Q值较高者，泵浦光通道与探测光通道的Q值比为2-4。

所述多层膜结构的中部设有一个光学厚度为n×λ₀/4的中心缺陷层C，n取大于3的奇数，λ₀为中心波长。