高帥華

（廈門(mén)大學(xué) 福建省廈門(mén)市 361102）

1 引言

為了提高通信速度和信息量，需要研制利用光子技術(shù)直接控制信息交換的器件—全光開(kāi)關(guān)。具有低開(kāi)關(guān)功率、高開(kāi)關(guān)速度和低吸收損耗等優(yōu)良特性的納米光子學(xué)全光開(kāi)關(guān)是一個(gè)重要研究方向。目前光子晶體型開(kāi)關(guān)，已經(jīng)較為成熟，可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)尺寸，消光比8.45dB，響應(yīng)時(shí)間500fs，然而傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)制作工藝難以實(shí)現(xiàn)工作壽命，插入損耗的可控指標(biāo)，同時(shí)需要提高集成度以滿(mǎn)足工作速度要求。本文基于晶體微腔類(lèi)EIT效應(yīng)，介紹一種新型全光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與制備方法。

2 耦合諧振型光子晶體光開(kāi)關(guān)基本原理

2.1 類(lèi)EIT效應(yīng)

EIT(Electromagnetically Induced Transparency)效應(yīng)，即電磁誘導(dǎo)透明，是一種能產(chǎn)生于原子光激發(fā)通道間，導(dǎo)致介質(zhì)吸收率急劇下降的強(qiáng)量子相干效應(yīng)。EIT效應(yīng)的吸收率曲線圖1所示。

圖1：EIT效應(yīng)典型吸收率曲線[6]

當(dāng)介質(zhì)處于電磁場(chǎng)環(huán)境中時(shí)，介質(zhì)會(huì)吸收電磁場(chǎng)的能量并因耦合作用引起諧振現(xiàn)象。而當(dāng)同時(shí)存在兩個(gè)電磁場(chǎng)，在兩電磁場(chǎng)能量滿(mǎn)足原子能級(jí)雙共振條件情況下，原子系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出對(duì)電磁場(chǎng)透明的現(xiàn)象，使電磁場(chǎng)可以完全通過(guò)原子系統(tǒng)。EIT窗存在的強(qiáng)色散作用在慢光和非線性光學(xué)領(lǐng)域有可觀的應(yīng)用價(jià)值。1999年Amnon Yariv等人在耦合光波導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)一種類(lèi)似EIT的現(xiàn)象，即類(lèi)EIT（EIT-like）效應(yīng)。

類(lèi)EIT系統(tǒng)由2個(gè)諧振腔邊耦合與1個(gè)光波導(dǎo)構(gòu)成，光波先由光子晶體入射端注入，與第一諧振腔發(fā)生作用，作用后第一諧振腔進(jìn)入過(guò)耦合狀態(tài)，光波發(fā)生耦合回波導(dǎo)，產(chǎn)生正向和反向傳輸分量。回波導(dǎo)正向傳輸分量再與第二諧振腔發(fā)生耦合，同樣產(chǎn)生兩個(gè)分量。其中反向分量在缺三腔光學(xué)延遲特性的作用下，與第一諧振腔輸出的正向分量發(fā)生FP諧振，產(chǎn)生類(lèi)EIT譜。光子晶體波導(dǎo)耦合雙腔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：光子晶體波導(dǎo)雙邊耦合諧振腔結(jié)構(gòu)[8]

2.2 光子晶體簡(jiǎn)述及其制備工藝

光子晶體由兩種或兩種以上的具有不同介電常數(shù)的材料周期性排列形成，被設(shè)計(jì)出獨(dú)特的光子帶隙特性，用于控制光子傳輸狀態(tài)。在光子晶體中引入特定缺陷，能夠使光子禁帶產(chǎn)生新的電磁波模式，使得與缺陷頻率相符的光子有幾率被缺陷限制，形成光子局域，光偏離缺陷位置就會(huì)迅速衰減。

目前，二維光子晶體的制備工藝為電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕等，基本步驟：

（1）采用MCOCVD生長(zhǎng)技術(shù)制作外延片。

（2）對(duì)電子束膠進(jìn)行電子束曝光，制作器件外形。

以上統(tǒng)計(jì)可得出，從2010年開(kāi)始，關(guān)于高校基層行政人員職業(yè)倦怠研究的文獻(xiàn)數(shù)量一直較穩(wěn)定，每年的發(fā)稿數(shù)量都較穩(wěn)定地保持在45篇以上。可見(jiàn)，關(guān)于高校基層行政管理人員的職業(yè)倦怠已保持長(zhǎng)期且系統(tǒng)地深入研究，這也從一定意義上反映了該課題的研究的必要性。

（3）利用ICP刻蝕技術(shù)，將電子束膠圖形轉(zhuǎn)移到器件結(jié)構(gòu)層。

（4）除去電子束膠，通過(guò)濕法腐蝕器件下層GaAs,獲得光子晶體空氣橋。

三維光子晶體的制備方法主要包括靜電力自組織生長(zhǎng)法，夏氏法和垂直沉積法。

2.3 光學(xué)kerr效應(yīng)

光學(xué)Kerr效應(yīng)是一種光場(chǎng)引起的介質(zhì)折射率變化非線性變化效應(yīng)。在強(qiáng)泵浦光ω引起介質(zhì)折射率改變時(shí)，使用弱信號(hào)光ω探測(cè)非線性改變率，成為互作用光Kerr效應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)，當(dāng)Kerr材料確定時(shí)，引入的相移與光強(qiáng)呈線性關(guān)系，通過(guò)改變光強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相移的有規(guī)律控制。

3 基于類(lèi)EIT效應(yīng)的光子晶體光開(kāi)關(guān)仿真設(shè)計(jì)和制備

3.1 單光輸入光子晶體全光開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與仿真

通過(guò)平面波展開(kāi)法（PWM）可計(jì)算最大禁帶寬度的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)環(huán)形諧振腔，實(shí)現(xiàn)全光開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。選用琉系玻璃材料，折射率為3.1。構(gòu)造二維正方體晶格結(jié)構(gòu)，介質(zhì)柱半徑R=0.185a，晶格常數(shù)a=0.52um，白色部分是折射率為1的空氣襯底。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3：基于共振耦合光子晶體全光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

在完整光子晶體光子晶體晶格中先水平方向除去一行介質(zhì)柱，從而引入線缺陷，形成光波導(dǎo)。再在光波導(dǎo)下方通過(guò)介質(zhì)柱的移除，形成包含3×3內(nèi)部介質(zhì)柱的環(huán)形諧振腔，諧振腔與波導(dǎo)之間有一行介質(zhì)柱隔開(kāi)。根據(jù)前小結(jié)分析，光波從波導(dǎo)輸入后，由于光子晶體特性，光波直接從波導(dǎo)透射。而隨著光強(qiáng)增大，在光子和介質(zhì)相互作用影響下，非線性光學(xué)Kerr效應(yīng)增強(qiáng)，介質(zhì)折射率改變，光子帶隙隨之變化。環(huán)形諧振腔隨之改變自身諧振頻率，并使符合條件的光波耦合進(jìn)入諧振腔，而由于類(lèi)EIT效應(yīng)，環(huán)形諧振腔體現(xiàn)出選頻特性，諧振腔內(nèi)光波此時(shí)不能從波導(dǎo)輸出，實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)功能。

通過(guò)Rsoft軟件BandSOLVE模塊，利用平面波展開(kāi)法推算二維正方晶格光子晶體能帶結(jié)構(gòu)，計(jì)算得該光子晶體歸一化頻率范圍為0.3128-0.4360，禁帶寬度0.1232，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍1.19-1.66um，能帶結(jié)構(gòu)對(duì)TE模式禁帶范圍較寬。

在環(huán)形諧振腔不同位置添加包含整個(gè)禁帶范圍的高斯脈沖激勵(lì)源，仿真結(jié)果顯示，除激勵(lì)源和探測(cè)器相對(duì)諧振腔呈對(duì)稱(chēng)分布情況外，均可通過(guò)一個(gè)監(jiān)視器獲得環(huán)形諧振腔的諧振頻率。入射光波長(zhǎng)λ分別為1.24μm，1.4μm情況下，光子晶體諧振腔中光強(qiáng)分布如圖4。

圖4：λ=1.24μm（上），λ=1.4μm（下）情況下光子晶體諧振腔中光強(qiáng)分布

當(dāng)入射光波波長(zhǎng)λ=1.55μm時(shí)，由于射入波導(dǎo)的光波頻率與諧振頻率接近，不能從另一端輸出，此時(shí)開(kāi)關(guān)為“關(guān)”的狀態(tài)。若增大入射光強(qiáng)度，由于折射率的改變，諧振腔諧振頻率也會(huì)相應(yīng)改變，使得原本無(wú)法出射的光波不再進(jìn)入諧振腔，而是通過(guò)波導(dǎo)。此時(shí)開(kāi)關(guān)處于“開(kāi)”狀態(tài)。入射波λ=1.55μm時(shí)，TE模在光開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)下光強(qiáng)分布如圖5。

圖5：光開(kāi)關(guān)‘關(guān)’（上）、‘開(kāi)’（下）狀態(tài)下TE模光強(qiáng)分布

3.2 光控輸入光子晶體全光開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)仿真

單一輸入光源的控制模式與目前光電子開(kāi)關(guān)控制邏輯并不匹配，實(shí)際應(yīng)用較為困難。為進(jìn)行實(shí)際光開(kāi)關(guān)的制備和性能測(cè)試，觀察雙路徑相對(duì)相移的影響，閆西成團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了上臂集成相移倍增效應(yīng)的馬赫澤德干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）結(jié)構(gòu)以構(gòu)成全光開(kāi)關(guān)。

該結(jié)構(gòu)具有泵浦光輸入，信號(hào)光輸入和輸出三個(gè)端口。當(dāng)只有信號(hào)光輸入光波導(dǎo)，沒(méi)有泵浦光輸入時(shí)，信號(hào)光經(jīng)MZI上下壁，并最終在合束段匯合，上下光束的光程差相同，相干相長(zhǎng)，使得輸出端光輸出較強(qiáng)，開(kāi)關(guān)處于“開(kāi)”狀態(tài)。而在有信號(hào)光輸入光波導(dǎo)的同時(shí)，泵浦光經(jīng)垂直耦合器進(jìn)入光波導(dǎo)的情況下，泵浦光以直接耦合形式進(jìn)入上臂，由于Kerr效應(yīng)，上臂波導(dǎo)折射率發(fā)生改變，改變量取決于泵浦光功率，使上半部信號(hào)光發(fā)生相移，最終在合束段與下臂信號(hào)光匯合時(shí)，由于存在π的相位差，上下光波相干相消，輸出端無(wú)信號(hào)，開(kāi)關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)。

基于此結(jié)構(gòu)，將仿真參數(shù)設(shè)計(jì)為：化合物InGaP材料折射率n=3.37，波導(dǎo)厚度t=252nm,晶格周期a=420nm，空氣孔直徑D=0.58a=243nm。仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：缺一排氣孔的波導(dǎo)W1雙邊耦合兩個(gè)缺三腔L3，光子晶體為三角晶格。此條件下仿真得泵浦光功率P=0mW，P=92.7mW時(shí)雙腔結(jié)構(gòu)透射譜和相移如圖6。

圖6

由圖7知，隨著泵浦光功率增加，1550nm波長(zhǎng)的透射強(qiáng)度逐漸由（a）圖的80%衰減至（c）圖的10%，而相位差也從0擴(kuò)大到π，實(shí)現(xiàn)合束光的相干相長(zhǎng)和相干相消，完成光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)功能。

利用FDTD Solutions，分別對(duì)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的MZI分束端、DC耦合區(qū)、L3區(qū)、MZI轉(zhuǎn)角區(qū)和MZI合束端進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)，均進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化。

在MZI分束端，通過(guò)在分支中心添加一個(gè)直徑0.35a的氣孔，將入射光總功率從0.8%大幅提升為30%。如圖7。

圖7

在DC耦合區(qū)，對(duì)不同耦合長(zhǎng)度下泵浦光功率分布情況進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)耦合長(zhǎng)度為8a，可以明顯提升耦合效率。

3.3 類(lèi)EIT光子晶體光開(kāi)關(guān)制備和測(cè)試

基于馬赫澤德干涉儀全光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，閆西成團(tuán)隊(duì)采用電子束刻蝕技術(shù)制備了二維光子晶體MZI光開(kāi)關(guān)。選用材料結(jié)構(gòu)為INGaP/GaAs/InGaP/GaAs，使用AIXTRON CCSIC×2外延片生長(zhǎng)系統(tǒng)制備光子晶體。采用AZ5214型光刻膠，MJB6光刻設(shè)備對(duì)外延片進(jìn)行刻蝕。涂膠后使用加熱板110°C預(yù)先加熱外延片60s。再進(jìn)行曝光，顯影漂洗以及堅(jiān)膜烘焙等過(guò)程得到器件外形。隨后進(jìn)行電子束光刻（EBL）以及等離子體刻蝕（ICP）過(guò)程，使電子束膠圖形轉(zhuǎn)移到器件結(jié)構(gòu)層。等離子體刻蝕過(guò)程中通過(guò)調(diào)整氣體配比，解決了光子晶體孔形狀和大小與預(yù)期不符的問(wèn)題，如圖8。

圖8

由圖8，優(yōu)化后光子晶體不再有裂痕，且結(jié)構(gòu)基本呈圓形。然后，濕法腐蝕掉GaAs。

搭建由外部光源、精密調(diào)整設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、測(cè)量設(shè)備組成的測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9。

圖9：測(cè)試系統(tǒng)示意圖

通過(guò)該系統(tǒng)，將輸入光源轉(zhuǎn)化為線偏振光，再與透鏡光纖垂直耦合器耦合，將光波輸入波導(dǎo)。借助監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行垂直耦合過(guò)程中的距離和角度調(diào)整，以獲得較大耦合效率。在輸出端，通過(guò)插入垂直耦合器，將輸出光與透鏡光纖耦合，并通過(guò)光功率計(jì)采集透射光束。將采集到的數(shù)據(jù)與輸入透鏡光纖與輸出透鏡光纖直接耦合得到的數(shù)據(jù)對(duì)比，即可得到器件結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性。最終得到FP腔透射譜如圖10。

圖10：FP腔透射譜

透射結(jié)果顯示損耗過(guò)大，原因是垂直耦合效率偏低，以及光子晶體粗糙程度大?？赏ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)水平耦合器對(duì)垂直耦合器效率進(jìn)行彌補(bǔ)，通過(guò)化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)（CMP）消減粗糙表面造成的透射譜損耗。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化思路和全光開(kāi)關(guān)技術(shù)前景展望

4.1 類(lèi)EIT光子晶體光開(kāi)關(guān)制備工藝優(yōu)化思路

目前基于EIT效應(yīng)的光子晶體光開(kāi)關(guān)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)二維光子晶體的成熟制備，并實(shí)現(xiàn)近紅外-可見(jiàn)光波段的光學(xué)調(diào)制。但仍存在制備工藝較為復(fù)雜，成本高，透射效率低，復(fù)用率低的問(wèn)題，嚴(yán)重制約了光開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展。針對(duì)這一問(wèn)題，宋明麗等人提出了3D打印與光子晶體器件制備工藝結(jié)合的思路來(lái)制備三維光子晶體，同時(shí)實(shí)現(xiàn)制備工藝的簡(jiǎn)化和光子晶體性能的提高。傳統(tǒng)三維光子晶體制備工藝?yán)缯汗P納米光刻、相位光柵、多光束相干等，往往造價(jià)過(guò)高且制備容錯(cuò)率很低。而基于3D打印技術(shù)具有的穩(wěn)定性，精確性，高效性，一次成型的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光子晶體的3D精確打印技術(shù)制備，能夠有效解決光子晶體的瑕疵問(wèn)題和制備效率，制備成本問(wèn)題。

4.2 光子晶體光開(kāi)關(guān)前景展望

目前經(jīng)過(guò)20余年的技術(shù)發(fā)展，光子晶體理論已經(jīng)基本成型，其工作原理和器件設(shè)計(jì)方面已經(jīng)有了長(zhǎng)足進(jìn)展。但在制備工藝方面仍有許多關(guān)鍵性問(wèn)題有待解決，例如二維光子晶體高Q值微腔的精度控制問(wèn)題，這要求設(shè)備精度需要達(dá)到亞納米量級(jí)。對(duì)于三維光子晶體而言，如何向其中引入高精度的功能性缺陷，仍有待研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了新型類(lèi)EIT效應(yīng)光子晶體全光開(kāi)關(guān)的工作原理、制備方法和性能分析。通過(guò)控制兩個(gè)光子晶體微腔諧振波長(zhǎng)，控制類(lèi)EIT實(shí)現(xiàn)選頻特性，達(dá)到光開(kāi)關(guān)的效果，使用FDTD solution可得到良好的仿真光譜特性，在1550nm實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定開(kāi)關(guān)功能。針對(duì)實(shí)際制備工藝流程的性能缺陷介紹了優(yōu)化方案，對(duì)尚存的晶體瑕疵問(wèn)題，介紹了創(chuàng)新型解決思路。相對(duì)于現(xiàn)有電子集成電路，集成光路有巨大的工作頻率和計(jì)算力優(yōu)勢(shì)，光子光路必然是未來(lái)信息技術(shù)領(lǐng)域的導(dǎo)向技術(shù)。在精度要求較低的光電領(lǐng)域，例如光子晶體太陽(yáng)能電池，光子晶體傳感器等，在現(xiàn)有成熟理論體系的支持下，很有可能在不久的將來(lái)進(jìn)入規(guī)模化生產(chǎn)階段。