張若羽 李培麗 高輝

(南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院, 南京 210023)

1 引 言

隨著全光通信的發(fā)展, 光開關(guān)和光開關(guān)陣列成為光通信系統(tǒng)中極為重要的光通信器件. 光開關(guān)本質(zhì)上是光路控制器件, 起到光路通斷和選路功能.光開關(guān)主要分為機(jī)械式光開關(guān)和非機(jī)械式光開關(guān)這兩類[1]. 機(jī)械式光開關(guān)[2]制作技術(shù)成熟, 但開關(guān)時間較長, 體積較大, 不易集成, 存在抖動和重復(fù)性差的問題. 非機(jī)械式開關(guān)[3]包括液晶開關(guān)、電光開關(guān)、熱光開關(guān)和聲光開關(guān). 其中聲光開關(guān)的原理是在諧振腔中加入聲光介質(zhì), 沒有超聲波時, 光束可自由通過聲光介質(zhì); 有超聲波時, 聲光介質(zhì)密度發(fā)生周期變化, 導(dǎo)致折射率周期變化, 光束發(fā)生偏轉(zhuǎn), 從而實現(xiàn)開關(guān)通斷. 聲光開關(guān)調(diào)制電壓低、脈沖周期穩(wěn)定、衍射效率高, 具有較高的研究價值.但是其開關(guān)時間需要幾十個納秒, 插入損耗大, 集成困難, 應(yīng)用并不方便[4].

光學(xué)tamm 態(tài)[5](OTS)的概念在2005 年首次由Kavokin 等[6]提出, 光學(xué)tamm 態(tài)屬于一種非耗散局域模, 2008 年Goto 等[7]證實了光學(xué)tamm 態(tài)的存在. 光學(xué)tamm 態(tài)可由TM 或TE 偏振光束直接激發(fā), 不需要特定的入射角. 一般情況下, 垂直入射的光波激發(fā)的光學(xué)tamm 態(tài)是最明顯的. 光學(xué)Tamm 態(tài)憑借其易激發(fā)、對光具有強(qiáng)局域性、能夠突破衍射極限等獨(dú)特優(yōu)勢, 可廣泛應(yīng)用于未來新型光子器件[8].

本文利用一維光子晶體異質(zhì)結(jié)中的OTS 和聲光效應(yīng), 提出一種基于OTS 的聲光開關(guān). 通過施加超聲場, 調(diào)節(jié)超聲波的振幅, 改變介質(zhì)材料的折射率和厚度, 使得一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的OTS 發(fā)生漂移, 從而實現(xiàn)聲光開關(guān)的通斷控制. 考慮了在一維光子晶體異質(zhì)結(jié)中的聲光效應(yīng), 建立了基于OTS 的聲光開關(guān)的理論模型. 利用COMSOL 軟件, 對基于OTS 的聲光開關(guān)進(jìn)行了研究, 同時仿真研究了消光比、插入損耗、響應(yīng)時間等性能參數(shù).

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1(a)為超聲波發(fā)生器原理圖, 脈沖信號進(jìn)入壓電式換能器, 換能器的頻率就是超聲波的頻率, 圖中變幅桿用于調(diào)節(jié)超聲波振幅. 圖1(b)為基于OTS 的聲光開關(guān)結(jié)構(gòu)圖及施加的超聲波波形圖,a為超聲波振幅, 聲光開關(guān)結(jié)構(gòu)為(AB)NACCA(BA)N, 介質(zhì)為聲光材料. 其中材料A為SiO2, 折射率nA=1.48, 厚度dA= 261.8 nm;材 料B為 砷 化 鎵,折 射 率nB=3.42 ,厚 度dB=113.3 nm; 材 料C為 二 氧 化 碲, 折 射 率nC=2.1, 厚度dC=113.3nm. 令nAdA=nBdB=λ0/4, 取周期數(shù)N= 4,λ0為本征波長.

為了保證3 種材料ABC在晶體制備過程中能夠晶格匹配, 因而對晶格失配度進(jìn)行計算[9]. 晶格失配度的計算公式[10]:

材料A二氧化硅屬于六方晶格結(jié)構(gòu), 晶格常數(shù)為0.303 nm; 材料B砷化鎵屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu), 晶格常數(shù)為0.565 nm; 材料C二氧化碲屬四方晶系結(jié)構(gòu), 晶格常數(shù)為0.479 nm. 根據(jù)(1)式, 砷化鎵與二氧化硅的晶格失配度為7.2%, 二氧化硅與二氧化碲的晶格失配度為7.5%, 晶體可以順利生長.

2.2 工作原理

當(dāng)入射光進(jìn)入一維光子晶體異質(zhì)結(jié)時, 缺陷層C與上下層介質(zhì)的交界面等效成一個微腔結(jié)構(gòu)[11].入射光在介質(zhì)A與C的交界面處來回傳播, 直到滿足相位匹配條件時, 微腔內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)局域現(xiàn)象, 形成OTS. 此時由于入射光被局域在交界面處, 導(dǎo)致入射光急劇減少, 反射譜中出現(xiàn)反射峰, 反射峰的中心波長就是OTS 的本征波長.

OTS 的本征波長與結(jié)構(gòu)材料的折射率和厚度有關(guān)[12]. 當(dāng)超聲波作用于光學(xué)介質(zhì)時, 一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的各層介質(zhì)就會產(chǎn)生隨時間和空間呈周期性變化的彈性應(yīng)變, 其折射率和厚度也會隨之發(fā)生變化[13]. 入射光通過改變后的光學(xué)介質(zhì)時,OTS 的本征波長會發(fā)生一定漂移[14].

當(dāng)入射光波長在一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的本征波長λ0附近時, 光被局域在一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的缺陷層中, 此時本征波長的反射率很小, 入射光基本未被反射出去, 聲光開關(guān)處于斷開狀態(tài); 當(dāng)施加一定振幅的超聲波時, 一維光子晶體異質(zhì)結(jié)中各層介質(zhì)的折射率和厚度均發(fā)生改變, OTS 本征波長發(fā)生漂移, 入射光波長處于高反射區(qū)域, 此時本征波長的反射率很大, 入射光基本被反射回去, 聲光開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)[15]. 因此, 可通過是否施加一定振幅的超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān).

若入射光處于一維光子晶體異質(zhì)結(jié)禁帶范圍內(nèi)的高反射區(qū)域, 此時反射率很大, 入射光基本被反射回去, 聲光開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài); 施加相應(yīng)振幅的超聲波時, OTS 的本征波長漂移至入射光波長,此時入射光波長處的反射率低, 聲光開關(guān)處于斷開狀態(tài)[16]. 因此, 可通過是否施加與入射光波長相應(yīng)振幅的超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān).

圖1 超聲波裝置及聲光開關(guān)結(jié)構(gòu)圖 (a) 超聲波發(fā)生器原理圖; (b) 聲光開關(guān)結(jié)構(gòu)及超聲波波形Fig. 1. Diagram of ultrasonic device and structure of acousto-optic switch: (a) Schematic diagram of ultrasonic generator; (b) structure of acousto-optic switch and ultrasonic waveform.

3 理論模型

入射光在一維光子晶體異質(zhì)結(jié)中的傳輸特性可用傳輸矩陣法[17]來分析, 該聲光開關(guān)的傳輸矩陣M為:

其中:mA,mB,mC分別代表光在A層、B層、C層中的傳輸矩陣;N為周期數(shù).

假設(shè)超聲波從z軸垂直入射, 超聲波進(jìn)入一維光子晶體異質(zhì)結(jié)時, 相對光波而言, 超聲波的傳播速度過慢, 近似為靜止?fàn)顟B(tài). 超聲波的波動方程為[18]:

其中,a為振幅,W為聲波角頻率,t為時間,ks為超聲波波矢. 施加超聲波后, 一維光子晶體異質(zhì)結(jié)在應(yīng)力作用下介質(zhì)會發(fā)生一定形變[19], 折射率和厚度均會發(fā)生相應(yīng)變化. 由(4)式可得超聲波產(chǎn)生的應(yīng)變方程為

變化的折射率 ?n和厚度 ?d可分別表示為:

其中p11為聲光系數(shù).

當(dāng)周期數(shù)為N時, 對第1 個PC 而言,

對中間的缺陷層C而言,

對第2 個PC 而言,

其中, ?nA(2i+1)為第 2i+1 層介質(zhì)A改變的折射率, ?nB(2i)為 第 2i層 介 質(zhì)B改 變 的 折 射 率,?nC(2i+2)為第 2i+2 層介質(zhì)C改變的折射率,?dA(2i+1)為 第 2i+1 層 介 質(zhì)A改 變 的 厚 度,?dB(2i)為第 2i層介質(zhì)B改變的厚度, ?dC(2i+2)為第 2i+2層介質(zhì)C改變的厚度,i=N.

產(chǎn)生聲光效應(yīng)后引起折射率變化和厚度變化,此時的折射率n和厚度d可表示為:

光的反射系數(shù)r[20]可用下式表示:

其中,p的下標(biāo)0 表示入射空間, 下標(biāo)1 表示透射空間. 光的反射率R可以用下式表示:

根據(jù)式(8)—式(19)可看出超聲波振幅a會使得一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的折射率n和厚度d發(fā)生改變, 進(jìn)而對OTS 的本征波長產(chǎn)生影響. 因而本文通過改變超聲波的振幅對OTS 進(jìn)行控制.

4 仿真結(jié)果及分析

不考慮材料的色散影響和超聲波的損耗問題,使用COMSOL Multiphysics 軟件對基于OTS 的聲光開關(guān)進(jìn)行仿真研究.

圖2(a)所示為一維光子晶體的反射譜和一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的反射譜. 由圖可知, 一維光子晶體的反射譜在1200—2200 nm 范圍內(nèi)反射率很高,存在一個禁帶. 這是由于其周期性結(jié)構(gòu)的特點, 入射光在一定波長范圍內(nèi)無法穿過光子晶體, 因而出現(xiàn)了光子帶隙. 一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的反射譜中存在一個反射峰, 反射峰的中心波長在1550 nm 處反射率極低. 圖2(b)為1550 nm 處的電場分布圖,入射光幾乎都進(jìn)入了一維光子晶體異質(zhì)結(jié), 缺陷層出現(xiàn)強(qiáng)局域現(xiàn)象, 并且局域的電場沿著缺陷層向兩端不斷衰減. 因此可以判斷在1550 nm 處存在OTS.

圖2 DBR 和OTS 的反射譜及電場分布情況 (a) DBR反射譜的禁帶范圍和OTS 的反射譜; (b) 1550 nm 處電場分布圖Fig. 2. Reflection spectrum and electric field distribution of DBR and OTS: (a) Band gap of DBR reflection spectrum and OTS reflection spectrum; (b) electric field distribution at 1550 nm.

對一維光子晶體異質(zhì)結(jié)施加超聲波, 會使各層介質(zhì)的折射率和厚度發(fā)生不同程度的變化, 產(chǎn)生聲光效應(yīng), 從而一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的OTS 的本征波長發(fā)生漂移. OTS 本征波長與超聲波振幅的關(guān)系如圖3 所示.

圖3 超聲波振幅與OTS 本征波長關(guān)系圖Fig. 3. Relation diagram between ultrasonic amplitude and OTS intrinsic wavelength.

由圖3 可以看出, 未施加超聲波時OTS 本征波長為1550 nm, 隨著超聲波振幅的增加, 本征波長向短波方向產(chǎn)生一定漂移, 漂移的波長范圍為1537—1550 nm. 當(dāng)振幅超過0.4 nm 時本征波長幾乎不再發(fā)生改變, 因而本文只討論超聲波振幅為0.4 nm 以下的情況.

設(shè)置超聲波激勵的頻率為20 MHz, 改變超聲波的振幅進(jìn)行仿真實驗. 假定超聲波經(jīng)過一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的波速為5200 m/s. 圖4(a)為聲光開關(guān)不加超聲波和施加振幅為0.4 nm 超聲波兩種情況的反射譜. 從圖中可以看到, 施加振幅為0.4 nm的超聲波后OTS 的本征波長從1550 nm 漂移到了1538 nm.

圖4(b)和圖4(c)分別給出了不加超聲波和施加0.4 nm 振幅超聲波兩種情況下1538 nm 處對應(yīng)的電場強(qiáng)度分布. 從圖4(b)可以看出, 不加超聲波時, 1538 nm 的入射光在一維光子晶體異質(zhì)結(jié)交界面附近并沒有發(fā)生明顯局域現(xiàn)象, 即沒有激發(fā)OTS; 施加0.4 nm 振幅的超聲波后, 1538 nm 的入射光在一維光子晶體異質(zhì)結(jié)交界面附近處出現(xiàn)強(qiáng)局域現(xiàn)象, 即OTS 被激發(fā), 如圖4(c)所示.

當(dāng)入射光波長在一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的本征波長為1550 nm 附近時, 從圖4(a)可以看出, 當(dāng)不施加超聲波時, 入射光大部分進(jìn)入一維光子晶體異質(zhì)結(jié), 被局域在缺陷層中, 未被反射回去, 聲光開關(guān)處于斷開狀態(tài); 當(dāng)施加振幅為0.4 nm 的超聲波后, 折射率和厚度的改變使得OTS 的本征波長向短波方向發(fā)生漂移, 入射光由低反射區(qū)變?yōu)楦叻瓷鋮^(qū), 入射光基本上被介質(zhì)反射回去, 聲光開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài).

圖4 聲光開關(guān)施加振幅0.4 nm 的超聲波和不加超聲波的反射譜及電場圖 (a) 施加振幅0.4 nm 的超聲波和不加超 聲 波 的 反 射 譜; (b)不 加 超 聲 波1538 nm 處 電 場 圖;(c) 施加振幅0.4 nm 的超聲波1538 nm 處電場圖Fig. 4. Reflection spectrum and electric field diagram of ultrasonic wave with amplitude of 0.4 nm and without ultrasonic wave: (a) The reflection spectrum of the acousto-optic switch with 0.4 nm amplitude applied and without ultrasonic; (b) electric field diagram at 1538 nm without ultrasonic;(c) electric field diagram at 1538 nm with amplitude of 0.4 nm ultrasonic wave.

當(dāng)入射光處于一維光子晶體異質(zhì)結(jié)禁帶范圍內(nèi)的高反射區(qū)域, 從圖4(a)可以看出, 當(dāng)不施加超聲波時, 此時反射率很大, 入射光基本被一維光子晶體異質(zhì)結(jié)反射回去, 聲光開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài); 如圖3 所示, 施加相應(yīng)振幅的超聲波, 可使OTS 本征波長漂移至入射光波長處, 此時入射光波長處的聲光開關(guān)斷開. 比如當(dāng)入射光波長為1540 nm, 施加振幅為0.28 nm 的超聲波, OTS 的本征波長漂移至1540 nm 處, 此時入射光波長處的反射率低,聲光開關(guān)處于斷開狀態(tài). 因此, 可通過是否施加與入射光波長相應(yīng)振幅的超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān).

5 光開關(guān)性能分析

消光比、插入損耗、響應(yīng)時間是衡量光開關(guān)性能的重要指標(biāo)[21]. 本文對基于OTS 的聲光開關(guān)的消光比、插入損耗、響應(yīng)時間分別進(jìn)行研究.

5.1 消光比

消光比[22]是指光開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)和斷開狀態(tài)的光功率之比. 若消光比太低則會導(dǎo)致一系列誤碼問題. 消光比η為

其中,P1為聲光開關(guān)為導(dǎo)通狀態(tài)時的光功率,P0為聲光開關(guān)為斷開狀態(tài)時的光功率.

基于OTS 的聲光開關(guān)的消光比與入射光波長的關(guān)系如圖5 所示, 其中實線表示入射光波長在一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的本征波長λ0附近時, 通過是否施加0.4 nm 振幅超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān)的情況;點劃線表示入射光波長在一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的高反射區(qū)域時, 通過是否施加與入射光波長相對應(yīng)振幅的超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān)的情況.

圖5 聲光開關(guān)的波長與消光比的關(guān)系Fig. 5. Relationship between the wavelength of acousto-optic switch and extinction ratio.

從圖5 中可以看出, 在是否施加0.4 nm 振幅超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān)的情況下, 入射光在1546.1—1553.8 nm 范圍內(nèi), 聲光開關(guān)的消光比隨著波長的增大先增加后減小, 在1550 nm 波長處消光比最高, 達(dá)到13.17 dB; 在1548.8—1551.7 nm波長范圍內(nèi)最低也可達(dá)12 dB. 在是否施加與入射光相對應(yīng)振幅的超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān)的情況下,入射光在1534.8—1545.8 nm 范圍內(nèi), 聲光開關(guān)的消光比隨著波長的增大先隨之增加; 在1537—1542 nm 之間基本保持不變, 消光比最大達(dá)到13.15 dB; 然后隨入射光波長增大而減小; 在1536.6—1543.3 nm 波長范圍內(nèi)消光比最低僅有12 dB.

5.2 插入損耗

插入損耗[22]是開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下的輸出功率與輸入功率之比. 插入損耗γ為其中,Pout是聲光開關(guān)導(dǎo)通時的輸出功率,Pin是聲光開關(guān)導(dǎo)通時的輸入功率.

基于OTS 的聲光開關(guān)的插入損耗與入射光波長的關(guān)系如圖6 所示, 其中實線表示入射光波長在一維光子晶體異質(zhì)結(jié)本征波長λ0附近時, 通過是否施加0.4 nm 振幅超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān)的情況;點劃線表示入射光波長在介質(zhì)高反射區(qū)域時, 通過是否施加與入射光波長相對應(yīng)振幅的超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān)的情況.

圖6 聲光開關(guān)的波長與插入損耗的關(guān)系Fig. 6. Relationship between the wavelength of acousto-optic switch and insert loss.

從圖6 中可以看出, 在是否施加0.4 nm 振幅超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān)的情況下, 入射光在1548.8—1551.7 nm 范圍內(nèi), 聲光開關(guān)的插入損耗隨著波長的增大先減小后增加, 在1550 nm 波長處插入損耗最低, 低至0.65 dB; 在1548.8—1551.7 nm 波長范圍內(nèi)插入損耗最高也僅有0.97 dB. 在是否施加與入射光相對應(yīng)振幅的超聲波來實現(xiàn)聲光開關(guān)的情況下, 入射光1536.6—1543.3 nm 范圍內(nèi), 聲光開關(guān)的插入損耗隨著波長的增大先隨之減小; 在1538—1542 nm 之間基本保持不變, 插入損耗最低僅有0.65 dB; 然后隨入射光波長增大而增大. 在1536.6—1543.3 nm 這一波長范圍內(nèi)插入損耗最高僅有0.99 dB.

5.3 響應(yīng)時間

基于OTS 的聲光開關(guān)的導(dǎo)通與斷開由超聲波施加與否實現(xiàn), 可分為由“通”到“斷”和由“斷”到“通”兩個過程, 其響應(yīng)時間為兩個過程達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定的時間[23].

基于OTS 的聲光開關(guān)響應(yīng)時間與入射光波長的關(guān)系如圖7 所示, 其中實線表示聲光開關(guān)由“通”到“斷”系統(tǒng)穩(wěn)定所需的時間, 虛線表示聲光開關(guān)由“斷”到“通”系統(tǒng)穩(wěn)定所需的時間. 可以看出在由“通”到“斷”的情況下系統(tǒng)穩(wěn)定時間不高于13 ns,在由“斷”到“通”的情況下系統(tǒng)穩(wěn)定時間不高于10 ns.

圖7 聲光開關(guān)響應(yīng)時間與入射光波長的關(guān)系Fig. 7. Relationship between response time of acousto-optic switch and wavelength of incident light.

6 結(jié) 論

本文利用一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的OTS 以及聲光效應(yīng), 提出了一種聲光開關(guān), 建立了這種聲光開關(guān)的理論模型, 利用COMSOL 軟件進(jìn)行仿真研究. 研究結(jié)果表明, 隨著超聲波振幅的增加, 一維光子晶體異質(zhì)結(jié)的OTS 本征波長向短波方向漂移, 且振幅超過0.4 nm 后OTS 的本征波長幾乎不再發(fā)生變化. 入射光波長為1548.8—1551.7 nm 時,可通過施加振幅為0.4 nm 的超聲波, 可以實現(xiàn)OTS 本征波長漂移至1538 nm 來實現(xiàn)聲光開關(guān).在1548.8—1551.7 nm 這一波長范圍內(nèi)消光比最低有12 dB, 最大消光比可達(dá)到13.17 dB, 插入損耗最高僅為0.97 dB, 最小插入損耗僅有0.65 dB.入射光波長的波長范圍為1536.6—1543.3 nm 時,可通過施加與入射光波長相應(yīng)振幅的超聲波, 使得OTS 的本征波長漂移至對應(yīng)的入射光波長來實現(xiàn)聲光開關(guān). 在1536.6—1543.3 nm 這一波長范圍內(nèi)消光比最低有12 dB, 最大消光比可達(dá)到13.15 dB,插入損耗最高僅為0.99 dB, 最小插入損耗僅有0.65 dB. 聲光開關(guān)的響應(yīng)時間不高于13 ns.

本文設(shè)計的聲光開關(guān)易于集成, 和現(xiàn)有聲光開關(guān)相比, 消光比更高, 插入損耗更低, 更具有優(yōu)越性, 可在未來光通信中得到有效應(yīng)用.