徐 婷，李 琳，費(fèi)宏明，劉 欣，楊毅彪，曹斌照，陳智輝

(太原理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024)

基于電流單向流動(dòng)的電二極管是傳統(tǒng)集成電路系統(tǒng)的一個(gè)基本器件。集成電路啟發(fā)下的集成光學(xué)系統(tǒng)也有一個(gè)基本器件：基于光波單向傳輸?shù)娜舛O管[1-5]。全光二極管，又稱(chēng)光學(xué)隔離器，是一種可以限制光沿特定方向傳輸?shù)墓鈱W(xué)器件。其功能是允許沿一個(gè)方向傳播的光通過(guò)該器件，并阻止反向的光傳播。全光二極管在集成光通信、全光網(wǎng)絡(luò)和光信息處理中有重要應(yīng)用。目前商用的具有單向傳輸功能的法拉第全光二極管，其尺寸在毫米尺度，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于激光器和光通信領(lǐng)域；但是由于需要外加磁場(chǎng)控制旋磁效應(yīng)，無(wú)法與現(xiàn)有的半導(dǎo)體集成光子學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合。目前光學(xué)集成器件朝著微納尺度發(fā)展，因此設(shè)計(jì)微納尺度的光學(xué)二極管[6-13]已成為時(shí)代發(fā)展的迫切需求。

基于非線(xiàn)性材料的全光二極管，包括由不同折射率材料在空間線(xiàn)性變化所組成的一維非線(xiàn)性光子晶體[1,14]，或者非對(duì)稱(chēng)的非線(xiàn)性吸收材料的多層結(jié)構(gòu)和具有非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的二維非線(xiàn)性光子晶體微腔來(lái)實(shí)現(xiàn)全光二極管[15-17]，其最大透射率和透射比較高，但是這種原理需要很高的光強(qiáng)以產(chǎn)生足夠大的光學(xué)非線(xiàn)性效應(yīng)；基于磁光子晶體結(jié)構(gòu)的全光二極管，雖然滿(mǎn)足了低閾值光強(qiáng)和高透射對(duì)比度的要求，但需要在局域引入外加磁場(chǎng)控制磁性材料的旋磁效應(yīng)，不利全光集成?；谖⒓{光子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全光二極管，包括左手周期性超材料[18]、表面等離子體激元[19]等基于這種原理的全光二極管可以工作在較低的閾值光強(qiáng)。然而，以上設(shè)計(jì)的共同缺點(diǎn)是最大透射率較低。

2011年，李志遠(yuǎn)課題組在硅基二維平板光子晶體空氣橋結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了一種全光二級(jí)管，達(dá)到了0.885的信號(hào)對(duì)比度[20]。2015年，馮帥課題組在空氣背景中嵌入橢圓和圓的硅柱，設(shè)計(jì)了二維非對(duì)稱(chēng)光子晶體結(jié)構(gòu)，利用能帶特性失配形成了光波單向傳輸，頻帶寬度約有0.05(c/a)，同時(shí)還出現(xiàn)了光波分束現(xiàn)象[21]。此種方法雖然不再局限于磁場(chǎng)和入射光功率等外界條件，但仍需考慮結(jié)構(gòu)的方向能帶結(jié)構(gòu)，并且只能實(shí)現(xiàn)單一偏振的單向傳輸，其正向透射率和對(duì)比度都不高，為了能在光通信波段中心1 550 nm附近同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種偏振光在同一波段的單向傳輸，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在一定的難度。

2015年，李琳等提出利用全反射界面，設(shè)計(jì)出了一種可實(shí)現(xiàn)TE偏振的新型光波單向傳輸器件，其結(jié)構(gòu)不受能帶特性的束縛，透射率和對(duì)比度大大提高，波長(zhǎng)范圍變寬[22]。因此本文利用全反射界面，通過(guò)優(yōu)化異質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了在光通信波段1 550 nm附近雙偏振態(tài)的光隔離器，并得到了較高對(duì)比度和較寬的單向傳輸范圍。

1 基本結(jié)構(gòu)

利用常用的電介質(zhì)材料硅和二氧化硅組成高折射率和低折射率介質(zhì)，其界面滿(mǎn)足全反射要求，設(shè)計(jì)了二維介質(zhì)柱型四角晶格固固光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其異質(zhì)交界面沿著Г-M方向，與Г-X方向夾角為45°.異質(zhì)交界面左邊為二維光子晶體PC1，右邊為二維光子晶體PC2，兩者分別距離異質(zhì)界面300 nm和900 nm.PC1是在二氧化硅材料中嵌入硅介質(zhì)柱，PC2為硅材料中嵌入二氧化硅介質(zhì)柱；它們有相同的晶格常數(shù)和半徑，分別為a=600 nm，r=140 nm.結(jié)構(gòu)左側(cè)為輸入波導(dǎo)，結(jié)構(gòu)右側(cè)為輸出波導(dǎo)，光輸入信號(hào)在輸入波導(dǎo)處從PC1到PC2傳播，光反射信號(hào)在輸出波導(dǎo)處從PC2到PC1傳播。

圖1 異質(zhì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch map of 2-D photonic crystal heterojunction

2 光波單向傳輸性能分析

基于上述結(jié)構(gòu)，計(jì)算了該結(jié)構(gòu)光信號(hào)的插入損耗和回波損耗，結(jié)果如圖2所示。其中，圖2(a)為T(mén)E偏振的插入損耗和回波損耗，圖2(b)為T(mén)M偏振的插入損耗和回波損耗。圖中T為插入損耗，B為回波損耗，定義對(duì)比度為10-0.1T/10-0.1B.其結(jié)果可知，無(wú)論TE偏振態(tài)還是TM偏振態(tài)，都在光通信中心1 550 nm附近實(shí)現(xiàn)了光隔離：TE偏振，在波長(zhǎng)1 450 nm到1 950 nm之間出現(xiàn)了光信號(hào)的單向傳輸現(xiàn)象，峰值范圍在波長(zhǎng)1 548～1 596 nm，其插入損耗最小為2.7 dB，回波損耗最高為25.4 dB，其對(duì)比度可達(dá)186；TM偏振，單向傳輸波段為1 400～1 905 nm，峰值范圍在波長(zhǎng)1 515～1 626 nm，插入損耗為1.2 dB，回波損耗為22.7 dB，此波段內(nèi)對(duì)比度大約為141.因此該結(jié)構(gòu)在TE偏振和TM偏振下實(shí)現(xiàn)了光通信中心1 550 nm附近的光波單向傳輸，而且在1 550 nm附近的較大波段內(nèi)插入損耗變化平緩，所以該結(jié)構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)較寬帶寬的光信號(hào)單向傳輸。

圖2 a=600 nm,r=140 nm時(shí)的插入損耗和回波損耗Fig.2 When a=600 nm, r=140 nm, the insertion loss and return loss

為了更具體地了解該結(jié)構(gòu)的傳輸特性，以波長(zhǎng)為1 550 nm的光信號(hào)為例，計(jì)算了其兩種偏振態(tài)下的正反向入射電場(chǎng)圖，結(jié)果如圖3所示。其中，圖3(a)-(b)為T(mén)E偏振下的正反向入射電場(chǎng)圖，圖3(c)-(d)為T(mén)M偏振下的正反向入射電場(chǎng)圖。從圖中得出，在TE偏振或者TM偏振下，光信號(hào)從左側(cè)波導(dǎo)處正向輸入時(shí)，可在PC1內(nèi)沿著Г-X方向傳播，到達(dá)異質(zhì)交界面處均會(huì)出現(xiàn)部分反射；而大部分的光信號(hào)則發(fā)生折射進(jìn)入到PC2內(nèi)，然后經(jīng)由PC2從右側(cè)波導(dǎo)處輸出，如圖3(a)和3(c)所示。光信號(hào)從右側(cè)波導(dǎo)處反向輸入時(shí)，對(duì)于TE偏振，光信號(hào)可在PC2內(nèi)傳播，并到達(dá)異質(zhì)交界面處發(fā)生全反射，無(wú)法通過(guò)該交界面進(jìn)入PC1內(nèi)。對(duì)于TM偏振，光波在輸入位置其傳播幾乎被阻止。

圖3 a=600 nm，r=140 nm，λ=1 550 nm時(shí)的電場(chǎng)圖Fig.3 When a=600 nm, r=140 nm, λ=1 550 nm, electric field

為了能更深入地說(shuō)明該異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙偏振態(tài)的光信號(hào)單向傳輸機(jī)理，計(jì)算了光子晶體PC1和PC2的TE和TM偏振能帶結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)為PC1的TE偏振能帶結(jié)構(gòu)，圖4(b)為PC2的TE偏振能帶結(jié)構(gòu)，圖4(c)為PC1的TM偏振能帶結(jié)構(gòu)，圖4(d)為PC2的TM偏振能帶結(jié)構(gòu)。

對(duì)于TE偏振，圖2(a)中峰值范圍在波長(zhǎng)1 548～1 596 nm，對(duì)應(yīng)頻率為0.376a/λ～0.388a/λ，在Г-X方向PC1和PC2均為導(dǎo)帶，證實(shí)了正向輸入時(shí)，該頻段光信號(hào)能從異質(zhì)結(jié)構(gòu)右側(cè)輸出；反向輸入時(shí)，由于PC2在Г-X方向上是導(dǎo)帶，所以光信號(hào)能夠進(jìn)入PC2內(nèi)，并在異質(zhì)交界面處發(fā)生了全反射，其傳輸方向被改變無(wú)法進(jìn)入PC1.

對(duì)于TM偏振，圖2(b)中的峰值范圍在波長(zhǎng)1 515～1 626 nm，對(duì)應(yīng)頻率為0.369a/λ～0.396a/λ；此時(shí)PC1在Г-X方向?yàn)閷?dǎo)帶，而PC2則存在0.38a/λ～0.408a/λ的Г-X方向上禁帶，其他方向是導(dǎo)帶。正向輸入時(shí)，光信號(hào)可經(jīng)由PC1傳播到達(dá)異質(zhì)交界面處后發(fā)生了折射，其傳播方向不再沿Г-X方向；此時(shí)對(duì)于PC2來(lái)說(shuō)該頻段的光信號(hào)處于非Г-X方向上的導(dǎo)帶，因此可以在PC2內(nèi)傳播并在異質(zhì)結(jié)構(gòu)右側(cè)輸出。反向輸入時(shí)，因PC2在Г-X方向的禁帶特性，其頻段的光信號(hào)無(wú)法進(jìn)入PC2.但是在圖2(b)中，0.38a/λ～0.408a/λ兩側(cè)頻段的光信號(hào)仍出現(xiàn)了單向傳輸現(xiàn)象，只是其插入損耗略高。由此可見(jiàn)，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的單向傳輸，并不再限制于結(jié)構(gòu)的方向能帶特性。對(duì)于PC2，無(wú)論在Г-X方向是禁帶還是導(dǎo)帶，光信號(hào)正向輸入時(shí)都可輸出，反向輸入時(shí)會(huì)發(fā)生全反射或因其禁帶作用而被阻止。

在異質(zhì)交界面處引入全反射，實(shí)現(xiàn)了光通信1 550 nm附近的光信號(hào)單向傳輸，不僅對(duì)結(jié)構(gòu)的方向能帶要求不高，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，而且能實(shí)現(xiàn)TE，TM偏振態(tài)下的單向傳輸，但其插入損耗還有待降低。

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3.1 擴(kuò)大結(jié)構(gòu)周期

為了能降低結(jié)構(gòu)的插入損耗、提高對(duì)比度，將結(jié)構(gòu)周期整體擴(kuò)大為原來(lái)的兩倍，其TE和TM偏振的插入損耗和回波損耗如圖5所示，其中圖5(a)為T(mén)E偏振插入損耗、回波損耗及對(duì)比度，圖5(b)為T(mén)M偏振插入損耗和回波損耗。

對(duì)于TE偏振，在圖5(a)中，峰值位于1 545.22～1 590.43 nm范圍內(nèi)時(shí)，插入損耗大約為2.3 dB，回波損耗為24.4 dB，對(duì)比度為162，單向傳輸范圍為1 450～2 000 nm，帶寬約為550 nm.

對(duì)于TM偏振，在圖5(b)中，峰值位于1 502.51～1 633.88 nm范圍內(nèi)時(shí)，插入損耗約為0.73 dB，回波損耗為22.3 dB，對(duì)比度為144，單向傳輸范圍位于1 400～1 922.2 nm，帶寬約為522 nm.

3.2 輸出波導(dǎo)寬度

結(jié)構(gòu)周期的擴(kuò)大可以引起插入損耗的減小，而光信號(hào)在輸出波導(dǎo)位置存在一定寬度的發(fā)散。因此在周期擴(kuò)大的基礎(chǔ)上，還可以通過(guò)增加輸出波導(dǎo)寬度來(lái)減小插入損耗，計(jì)算了TM和TE偏振的插入損耗、回波損耗及對(duì)比度，如圖6所示。其中圖6(a)為T(mén)E偏振插入損耗和回波損耗，圖6(b)為T(mén)M偏振插入損耗和回波損耗。

TE偏振下，在圖6(a)中，1 451.5～2 000 nm出現(xiàn)了單向傳輸，帶寬約為550 nm，插入損耗最低可達(dá)1 dB，回波損耗為31.8 dB，對(duì)比度為1 202，峰值位于1 553.25～1 586.21 nm之間，寬度約為33 nm，插入損耗均低于1.7 dB，實(shí)現(xiàn)了TE偏振下的1 550 nm附近的低插入損耗、高對(duì)比度的單向傳輸。

TM偏振下，在圖6(b)中，單向傳輸范圍位于1 400～1 950 nm，帶寬約為550 nm，最低插入損耗可達(dá)0.6 dB，回波損耗低于40.7 dB，對(duì)比度為10 233，峰值位于1 498.75～1 607.53 nm之間，插入損耗小于2 dB，實(shí)現(xiàn)了TM偏振下1 550 nm附近的高對(duì)比度的光信號(hào)單向傳輸。

圖6 插入損耗和回波損耗Fig.6 Insertion loss and return loss

4 結(jié)論

將全反射耦合應(yīng)用到光子晶體異質(zhì)交界面中，實(shí)現(xiàn)了光通信中心1 550 nm附近光信號(hào)的單向傳輸。通過(guò)對(duì)電場(chǎng)圖及能帶結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，證實(shí)了由于界面處全反射的作用，降低了結(jié)構(gòu)對(duì)光子晶體方向能帶特性的要求，不僅便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)周期和輸出波導(dǎo)寬度的優(yōu)化，使得TM和TE偏振的光信號(hào)單向傳輸效果得以增強(qiáng)，其最低插入損耗峰值范圍也有所拓寬，實(shí)現(xiàn)了TM和TE偏振下光通信1 550 nm波段、帶寬約為550 nm的光信號(hào)單向傳輸。