【摘要】 光子晶體是一種介電常數(shù)周期性排列的人工介質(zhì)，它對光具有可操縱性。將非線性材料運(yùn)用到二維光子晶體中，即在普通二維光子晶體波導(dǎo)中引入非線性缺陷，通過控制輸入光功率的大小，得到了不同情況下光波在波導(dǎo)中的傳輸情況，實(shí)現(xiàn)了 “開” “關(guān)”作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開關(guān)時間極短，大致在1013—～1014數(shù)量級。

【關(guān)鍵詞】 光子晶體 二維 光開關(guān)

一、光開關(guān)的發(fā)展

世界市場光開關(guān)的需求量在九十年代初中期增長緩慢，只有數(shù)十萬件。但在九十年代后期，隨著全光網(wǎng)絡(luò)的興起、發(fā)展，經(jīng)濟(jì)信息化過程的加快，特別是全球范圍光交換機(jī)及其交換矩陣系統(tǒng)市場需求猛增，系統(tǒng)設(shè)備銷售2006年將增長至32億美元，對光開關(guān)的需求將會急劇上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界光開關(guān)年銷售增長率已達(dá)到13%。光開關(guān)在國內(nèi)光無源器件市場所占份額較小，隨著全光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)、應(yīng)用，國內(nèi)市場需求量將會大幅度增長。

目前發(fā)展的光控光開關(guān)主要是以下幾種：

（1）Mach-Zender型光控光開關(guān)；（2）平面反射型光開關(guān)；（3）克爾光開關(guān)；（4）NOLM（非線性環(huán)路境）開關(guān)，；（5）頻移型（XPM型）光開關(guān)。

二、光子晶體光開關(guān)

利用光子晶體來實(shí)現(xiàn)全光開關(guān)的思想，最早是由Scalora在1994年提出來的。光子晶體全光開關(guān)的思想是指開始時一束探測光能夠通過光子晶體，當(dāng)一束泵浦光作用于光子晶體時，信號光就被光子晶體全部反射回來而不能通過光子晶體，由此實(shí)現(xiàn)對探測光束傳輸過程的開關(guān)控制作用。光開關(guān)的開關(guān)控制方式有電流注入、外加電場或光注入等，以此來控制折射率、光的吸收特性等。電流注入控制是利用注入載流子的壽命來限制開關(guān)速度，開關(guān)速度很難超過10GHz。外加電場控制時，則沒有這種限制，但由于受到控制用的電子電路的帶寬限制，按目前的技術(shù)狀態(tài)，開關(guān)速度也被限制在100GHz左右。與此相反，采用光注入的光控光方式，不通過載流子就可以控制，所以可以實(shí)現(xiàn)超高速的開關(guān)。

2.1 二維非線性光子晶體光開關(guān)的設(shè)計(jì)與仿真

如圖1所示，我們設(shè)計(jì)了一個含缺陷的二維光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。背景介質(zhì)為空氣，介電常數(shù)為，普通玻璃介質(zhì)柱半徑為，其中為一個周期，折射率為，缺陷處為Kerr型非線性介質(zhì)，其非線性系數(shù)為。由基礎(chǔ)理論分析知，當(dāng)三階非線性系數(shù)為負(fù)時，隨著光強(qiáng)的增大，介質(zhì)的等效折射率減小。

激勵源設(shè)置為高斯脈沖，，其中，，，分別為此高斯脈沖寬度和高度的的。時間步長的選擇要求滿足穩(wěn)定性條件，且便于觀察，因此我們?nèi)?。輸入光波沿箭頭方向入射，寬度為，定義單位光功率為UnintPower。

當(dāng)光子晶體中局部含有Kerr非線性時，由于非線性的作用，在光子晶體的帶隙中存在豐富的孤子類電磁模，這些孤子類電磁模在帶隙內(nèi)形成部分透明的通帶，并具有多穩(wěn)態(tài)性質(zhì)。當(dāng)調(diào)整光的強(qiáng)度使之滿足與孤子模共振的條件時，光子晶體對于頻率位于線性截止帶內(nèi)的光將變成透明或部分透明。

通過仿真在不同輸入光功率情況下光在波導(dǎo)中的傳輸情況，我們得出一組數(shù)據(jù)，記錄在表1內(nèi)。其中InputPower表示輸入光功率，T（s）表示光波局域到非線性介質(zhì)前經(jīng)歷的時間。

由此可見，當(dāng)輸入光功率小于0.12UnintPower時，光波完全局域在非線性介質(zhì)處，即開關(guān)處于閉合狀態(tài)；當(dāng)輸入光功率大于0.12UnintPower且小于0.25UnintPower時，光波在經(jīng)歷一段時間（T（s））后也總能局域在非線性介質(zhì)處，即T（s）前開關(guān)打開，T（s）后開關(guān)閉合；而當(dāng)輸入光功率大于 0.25UnintPower后，光波直接沿著波導(dǎo)傳輸，即開關(guān)處于打開狀態(tài)。由此可見，其中的T（s）就表示了開關(guān)的響應(yīng)時間，因此該光子晶體光開關(guān)的響應(yīng)過程極快，大致在1013—～1014之間。

三、總結(jié)與展望

自從1987年美國Bell實(shí)驗(yàn)室的E.Yablonovitch和Princeton大學(xué)的S.John各自獨(dú)立地提出了“光子晶體”這一新概念以來，一場有可能引發(fā)未來光子技術(shù)革命的光子晶體研究序幕已經(jīng)揭開。當(dāng)前光子晶體的研究已經(jīng)進(jìn)入器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用階段，我國中科院物理所的光子晶體和負(fù)折射組目前主要的研究內(nèi)容中就有二維和三維光子晶體功能元件的理論設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和功能開發(fā)，以及二維和三維光子晶體的能隙移動效應(yīng)和超快光開關(guān)功能，可見對于這種新型光功能材料器件的研究在我國光學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。

未來的光電子器件將可能朝著全光器件的集成發(fā)展。如果我們將各種光學(xué)器件用光子晶體來制造，并使用光子晶體波導(dǎo)集成在一塊芯片上，無疑將大大提高光學(xué)器件的集成度，這種飛躍，好比電子電路從單一元件組合邁進(jìn)集成電路時代一樣。