[发明专利]一种可调谐温度双稳光开关

说明书

技术领域

本发明是涉及一种可调谐温度双稳光开关，一种具有动态可调谐特性的高性能温 度双稳光开关，在光开关领域有重要的应用价值。

背景技术

光子晶体是一种与波长具有相同量级的周期性人工介电结构，由Yablonovitch和 John在1987年首次分别独立提出。其最基本特征是光子带隙和光子局域，在激光器、滤波 器、光开关等众多领域有广泛的应用。其中的一维光子晶体具有结构简单、容易实现、易于 集成和插入损耗小等优点成为如今研究最为广泛和实际应用的光子晶体。

近年来基于一维光子晶体结构的光开关已有相关开展。在先技术[1](参见 JournalofOptics,2012,14(6),065003)基于(HL)^N结构的一维光子晶体,其中H为半 导体材料，L为Kerr非线性介质材料，利用光致带隙移动原理设计了一种全关开关。在先技 术[2](参见JournalofAppliedPhysics,2009,106(8),083102)基于(AB)^ND(BA)^N结构 的一维光子晶体，其中A和B为常规线性介质（B介质为空气），D为克尔（Kerr）非线性介质，利 用光致缺陷模移动原理设计了一种高效的全光开关。上述在先技术[1]和[2]设计的全光开 关不是光双稳器件，不具有双稳态特性。在光双稳开关器件方面，在先技术[3](参见发光学 报,2005,25(6),620-624)基于自散焦材料CdS_xSe_1-x玻璃，采用折射率呈正弦周期调制 波导形式的一维光子晶体结构，实现了光双稳开关器件。在先技术[4](参见Optics Communications,2005,256(4),305-309)制备了VO₂薄膜，实现了具有34℃的转变温度 的光双稳开关特性。虽然该在先技术[3]和[4]属于光双稳开关器件，但该双稳开关不具有 光开关特性参数，如转变温度、开关对比度等的可调谐特性，不利于实际灵活应用。

发明内容

本发明的目的是克服在先技术的不足，提供一种可调谐温度双稳光开关，方法简 单、易于实现、光开关性能优异。

为达到上述目的，本发明的构思是：本发明针对含较快响应时间的非线性克尔 （Kerr）介质及周期性高低折射率介质为温敏材料的一维光子晶体结构，基于非线性光谱响 应导致的大于阈值光强时温度与透射率之间的多值特征原理，实现温度双稳光开关功能。 选择三阶非线性系数符号不同的D介质材料，实现不同开关性质（升温时开关开、降温时开 关关或升温时开关关、降温时开关开）的光开关。通过调节各参数、如输入光强、入射光波 长、非线性介质的厚度或周期性高低折射率介质的周期，实现具有可调谐特性的温度双稳 光开关，且具有输入光强低、开关性能优异、响应快等的特点。

根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：

一种可调谐温度双稳光开关，由光学介质层A、B和D三种光学介质层排列叠合成多层光 学介质层组合结构，该多层光学介质层组合结构沿正交入射的输入光束前进的方向依次为 周期性交替结构光学介质层A和B、光学介质层D及光学介质层B和A的周期性交替结构，且中 心光学介质层D左右两侧的周期性交替结构的周期数相等，光学介质层D为非线性的克尔介 质，光学介质层A和B为温度敏感的具有不同折射率的光学薄膜介质，介质层A和B的光学厚 度均为l₀/4（l₀为中心波长），入射光强度大于阈值光强。光学介质层D选择三阶非线性系数 为正值的克尔介质层D材料，可实现升温时开关开、降温时开关关的光开关特性；选择三阶 非线性系数为负值的克尔介质层D材料，可实现升温时开关关、降温时开关开的光开关特 性。当入射光波长固定时通过调节入射光强实现温度双稳区间及开关对比度的微调谐。通 过调节入射光波长实现温度双稳区间的大范围调谐。通过增加非线性介质的厚度可以在保 持光开关对比度近似不变时，实现温度双稳区间的调谐，同时输入光强也得到一定降低。通 过增大周期性高低折射率介质的周期，可以实现开关对比度的提高及温度双稳区间的调 谐，同时输入光强可显著降低。

本发明的技术效果：