基于阻变效应的双通道六角晶格光子晶体非易失性光开关

技术领域

本发明涉及电控光子晶体光开关的技术领域，尤其涉及一种基于阻变效应的双通道六角晶格光子晶体非易失性光开关。

背景技术

近年来，随着光信息技术的飞速发展，各种新型的光电子器件在社会生产中已经发挥了重要作用。其中光开关作为重要的基础器件更是发挥着举足轻重的作用，而且也是光通信技术研究的前沿问题。目前实现光开关最常用的技术手段包括微机电系统（MicroElectro Mechanical Systems，MEMS）光开关、基于非线性效应的光开关（电光、声光、热光和磁光等）、硅基光波导开关等技术。但这些光开关技术通常存在自身难以克服的问题：（1）基于MEMS技术的光开关具有结构尺寸大，交换速度慢（毫秒量级），系统庞大，稳定性差等缺点。（2）基于非线性效应的光开关一般体积和功耗都比较大。采用非线性效应的光开关器件，其材料的非线性系数有限，为了实现180°的相位变化，需要较强的激光强度和较大体积的非线性材料，这给光开关器件的小型化和低功耗带来了挑战。（3）硅基光波导开关技术依然面临功耗高和体积大的问题。一方面由于该光开关技术的原理利用光学非线性效应等使波导内发生干涉或者谐振从而实现光信号的开关。另一方面采用相变材料的硅基光开关，其相变材料需要被加热熔化发生相变，如此必然增加能耗。（4）现有光开关大多都是易失性的。现有大部分光开关在断电后，开关的状态就不能够保持。另外，这也是光开关器件的功耗居高不下的另一个重要原因。因此，摒弃非线性效应，开发具有非易失性特点的光开关成为解决现有光开关高功耗和大体积问题的关键。

以光子晶体为基础的微小的器件，例如光子晶体光开关，在光子晶体波导中引入点缺陷来构建光开关。同时，多通道光开关比单通道光开关的集成度更高，所以探索研发多通道光开关能够进一步提升器件的集成度。由于阻变效应的作用，通过对点缺陷介质柱两端施加电压，可以使得点缺陷介质柱内形成纳米级别的金属细丝，从而改变点缺陷的位置，最终改变光子晶体波导的透过率，这样就构成了基于阻变效应结构的光子晶体光开关。另外，由于阻变效应形成的金属导电细丝具有很好的稳定性，外部电压断开后，仍旧能够保持，所以基于此原理的光开关具有非易失性的特点。

发明内容

针对现有光开关结构尺寸大，不易于集成的技术问题，本发明提出一种基于阻变效应的双通道六角晶格光子晶体非易失性光开关，可以通过组合实现阵列化光开关的功能。同时，本发明的结构体积小，开关时间响应快，光传输效率高，禁带范围更大，工作带宽更宽，适合大规模光路集成，并具有非易失性的特点，具有极大的实用价值。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于阻变效应的双通道六角晶格光子晶体非易失性光开关，包括具有TE禁带的光子晶体波导，光子晶体波导设置在光子晶体上，光子晶体上设有若干个硅介质柱，光子晶体波导设置在硅介质柱之间；输入光子晶体波导的端口设有输入端，输出光子晶体波导的端口设有输出端I和输出端II，输入端与输出端I之间、输入端与输出端II之间的夹角大于90°，输出端I和输出端II的方向相反；所述输入端与输出端I之间设有谐振腔I，谐振腔I内设有缺陷介质柱I；所述输入端与输出端II之间设有谐振腔II，谐振腔I内设有缺陷介质柱II；所述缺陷介质柱I和缺陷介质柱II的两端均设有电化学金属的电极，电极的两端均与提供偏置电压的偏置电路相连接；由于阻变效应，当缺陷介质柱两端施加电压时，缺陷介质柱内部会形成导电细丝，从而调节谐振腔的谐振频率，最后达到控制信号光的开和关的作用。

优选地，所述偏置电路包括方波信号发生器，方波信号发生器通过导线分别与缺陷介质柱I两端的电极相连接，方波信号发生器通过导线分别与缺陷介质柱II的两端电极相连接。

优选地，所述硅介质柱的形状为圆形。

优选地，所述光子晶体为二维六角晶格光子晶体，所述输入端与输出端I、输出端II的夹角为120°，六角设置的六个硅介质柱围成的空间组成谐振腔I或谐振腔II。

优选地，所述缺陷介质柱I位于谐振腔I的中心位置，缺陷介质柱II位于谐振腔II的中心位置；所述缺陷介质柱I或缺陷介质柱II的中心设置在输出光子晶体波导所在的直线上。

优选地，所述光子晶体波导的波导平面垂直于光子晶体中的硅介质柱的轴线，缺陷介质柱I或缺陷介质柱II的光轴和硅介质柱的方向一致。

优选地，所述光子晶体介质柱和背景分别由高折射率材料和低折射率材料组成；所述高射折射率材料为硅或者折射率大于3以上的介质；所述低折射率材料为空气或者折射率小于1.4的介质；所述缺陷介质柱I和缺陷介质柱II的材质为折射率低于2且易于形成导电细丝的氧化物材料；所述电极的材质为易于发生阻变效应的材质。

优选地，所述缺陷介质柱I的材质为二氧化硅，缺陷介质柱II的材质为二氧化钛；所述电极为银电极或铜电极。

优选地，所述光子晶体波导由输入端输入TE光，偏置电路的方波信号发生器输出极性不同的方波信号，方波信号控制光信号通过谐振腔I耦合进入输出端I、通过谐振腔II耦合进入输出端II；缺陷介质柱中两端被镀上电化学金属，在方波信号发生器产生方波脉冲作用于电极两端时，缺陷介质柱内会形成导电细丝，导电细丝的形成或断裂改变谐振腔的谐振频率，从而改变输出端的输出功率，改变光开关的状态。

优选地，所述硅介质柱的半径R=0.3a，缺陷介质柱的半径r=0.2a，波导宽度d

所述TE禁带工作波长的范围分别为1.88a至2.41a、1.34a至1.58a；工作波长通过改变晶格常数、缺陷介质柱I或缺陷介质柱II的材质和尺寸来调节；光开关的消光比为10log（导通时输出端口的输出功率/断开时输出端口的输出功率）。

与现有技术相比，本发明的有益效果：便于阵列化，在实现双通道的基础上，可以通过组合的方式实现阵列化光开关的功能；结构体积小，开关时间响应快，光传输效率高，适合大规模光路集成；禁带范围更大，工作带宽更宽，由于六角晶格光子晶体比正方晶格光子晶体有更宽的禁带，所以应用光子晶体等比例缩放的特性，通过等比例改变晶格常数的方法，可以在更大带宽内实现不同波长的光路开关功能；高消光比，工作波长可调，可以允许有一定的频谱宽度的脉冲，或者高斯光，或不同波长的光工作，或多个波长的光同时工作，具有很大的实际意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的平面结构示意图。

图2为本发明的立体图。

图3为本发明的结构参数分布图。

图4为本发明的开关波形图。

图5为本发明实施例1中开关状态时传输特性，其中（a）为输出端I的输出特性曲线，（b）为输出端II的输出特性曲线。

图6为本发明实施例1中输出端I作为开关通道时开关的光场分布示意图，（a）为输出端I导通时的光场分布，（b）为输出端I关闭时的光场分布。

图7为本发明实施例1中输出端II作为开关通道时开关的光场分布示意图，（a）为输出端II导通时的光场分布，（b）为输出端II关闭时的光场分布。

图8为本发明实施例2中开关状态时传输特性，其中（a）为输出端I的输出特性曲线，（b）为输出端II的输出特性曲线。

图9为本发明实施例2中输出端I作为开关通道时开关的光场分布示意图，（a）为输出端I导通时的光场分布，（b）为输出端I关闭时的光场分布。

图10为本发明实施例2中输出端II作为开关通道时开关的光场分布示意图，（a）为输出端II导通时的光场分布，（b）为输出端II关闭时的光场分布。

图中，1为输入端，2为输出端I，3为硅介质柱，4为谐振腔I，5为缺陷介质柱I，6为输出端II，7为谐振腔II，8为缺陷介质柱II，9为导线，10为方波信号发生器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一种基于阻变效应的双通道光子晶体非易失性光开关的结构示意图（删除外加控制电路即偏置电路），包括一个具有TE禁带的光子晶体波导，光子晶体光开关还包括一个输入端1、两个输出端即输出端I 2和输出端II 6、作为背景的硅介质柱3、两个谐振腔即谐振腔I 4和谐振腔II 7，两个两端分别镀银电极的缺陷介质柱I 5和缺陷介质柱II 8；所述输入端1与输出端I 2、输出端II 6的夹角为120°，输出端I 2和输出端II6的方向相反。两个谐振腔分别位于输入端1和输出端I 2、输入端1与输出端II 6之间。光子晶体载波输入端位于器件的右端，输出端口位于器件的上方和下方。本器件初始信号光从右侧的输入端1入射，分别从输出端I 2和输出端II 6输出不同波长的光波。光子晶体波导由输入端1输入TE光，方波信号发生器10输出极性不同的方波信号，方波信号控制光信号通过谐振腔I 4耦合进入输出端I 2、通过谐振腔II 7耦合进入输出端II 6。缺陷介质柱I 5位于谐振腔4的中心位置，缺陷介质柱II 8位于谐振腔II 7的中心位置。缺陷介质柱I 5和缺陷介质柱II 8的两端镀有银电极并且与方波信号发生器10通过导线9相连。

如图2所示，本发明的另一结构示意图（含有外加控制电路）。提供偏置电压的偏置电路包括两个相同的方波信号发生器10和导线9。第一个方波信号发生器10的两端通过导线9与缺陷介质柱I 5的两端银电极分别相连；所述第二个方波信号发生器10的两端通过导线9与缺陷介质柱II 8的两端银电极分别相连。如图1和图3所示的结构图采用笛卡尔直角坐标系；X轴正方向为水平向右，Y轴正方向为在纸面内竖直向上，Z轴正正方向为垂直纸面向外。

光子晶体的硅介质柱3和背景分别由高折射率材料和低折射率材料组成；所述高射折射率材料为硅或者折射率大于3以上的介质；所述低折射率材料为空气或者折射率小于1.4的介质。这样选择的原因是利于形成宽的TE禁带。硅介质柱3的形状为圆形。

如图3所示，本器件的相关参数为：a为光子晶体的晶格常数，硅介质柱3的半径R=0.3a，缺陷介质柱的半径r=0.2a，波导宽度d

本发明所使用的光子晶体波导需要删除部分硅介质柱而形成的导波波导，光子晶体波导为光子晶体中移除部分介质柱后的结构。波导平面垂直于光子晶体中的介质柱的轴线。缺陷介质柱I 5位于谐振腔I 4的中心位置。缺陷介质柱II 8位于谐振腔II 7的中心位置。谐振腔为中心背景硅介质柱去掉换成缺陷介质柱后形成的，即缺陷介质柱的中心与硅介质柱的中心在同一直线上。缺陷介质柱的光轴和背景硅介质柱的方向一致。输入端1的波导为输入光子晶体波导，输出端I 2和输出端II 6的波导为输出光子晶体波导。

缺陷介质柱I 5的材质为二氧化硅等折射率低于2且易于形成导电细丝的氧化物材料。缺陷介质柱II 8的材质为二氧化钛等折射率高于2且易于形成导电细丝的氧化物材料，这样可以使得两个谐振腔的谐振频率不一致。缺陷介质柱I 5和缺陷介质柱II 8两端镀的电极为银、铜等易于发生电化学氧化还原反应的材质。

本发明的原理介绍主要针对导电细丝的形成和破灭以及对光传输特性的影响加以解释。导电细丝的形成和破灭是在阻变存储器中发现的一种现象，也可以称之为阻变效应。阻变存储器在外加电场的作用下，活性电极会在阻变存储器的介质中发生电化学氧化还原反应，最终在介质内形成连通电极的金属导电细丝。理论和实验已经证实导电细丝的形成和破灭的时间最快能够达到ps量级。本发明中缺陷介质柱中两端被镀上金属银，在方波信号发生器产生方波脉冲作用于银电极两端时，缺陷介质柱内会形成银导电细丝。导电细丝的形成会改变谐振腔的谐振频率，从而改变输出端的输出功率，从而改变光开关的状态。

本发明光开关，一般通过以下方法实现：初始时刻，缺陷介质柱内没有形成导电细丝，当不同波长的光通过输入波导传输进入器件时，与两个谐振腔谐振频率相同的光将会耦合进入谐振腔并同时从相应的输出端输出，输出波导的光波功率比较大，此时开关处于开态。当其中一个方波信号发生器产生一个正向方波信号作用于缺陷介质柱两端时，由于银在电场作用下会发生电化学氧化还原反应，并在缺陷介质柱内形成连通两端电极的导电细丝，此时谐振腔的谐振频率就会发生变化，原来的波长就无法耦合进入谐振腔，所以相应通道的输出波导的输出光波功率很低，此时该通道开关就处于关态。由于导电细丝形成后比较稳定，所以即使没有外界电场，开关依然会处于关态，这样光开关就具备非易失性的特点。当方波信号发生器产生负向方波信号作用于缺陷介质柱两端时，由于同样的因素，缺陷介质柱内已经形成的导电细丝会从介质内断裂并逐渐消失，这样谐振腔的谐振频率又会回到原来的频率。曾经被关闭的光波又可以通过谐振腔正常的从输出端口输出，这样开关又处于开态了。

对于晶格常数和工作波长的选取，可以采用以下方式确定。通过公式

(1)

其中，λ、

本发明中六角晶格硅结构的光子晶体一个归一化TE禁带频率

如图4所示，通过控制方波信号发生器输出极性不同的方波信号，得到光功率的输出波形。其中τ

光开关的参数：开关对比度（消光比）定义为10log（导通时输出端口的输出功率/断开时输出端口的输出功率）=10log（P

实施案例1

一种基于阻变效应的双通道六角晶格光子晶体非易失性光开关，本实施案例中，在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，通过等比例改变晶格常数的方法可以实现不同波长的光开关功能。另参数a=0.4μm，R=0.3a，r=0.2a，d1=1.132a，归一化光波频率ωa/2πc分别为0.4545和0.685，其他参数不变，使输出端I 2通道对应880nm的光波，输出端II 6通道对应584nm的光波。通过仿真计算得到输出端I 2通道，对应归一化频率0.4545附近范围的光波的开态和关态的输出功率如图5(a)所示。通过计算得到输出端II 6通道，对应归一化频率0.685附近范围的光波的开态和关态的输出功率如图5(b)所示。根据图中数据计算可得输出端I 2通道的开关消光比可达49.8dB，输出端II 6所在通道的开关消光比可达14.9dB。图6和图7分别为输出端I 2通道和输出端II 6通道开关分别在开态和关态时的电场分布图，从图中可以得出开关在开态时大部分能量都通过器件，同时开关关闭时，两通道之间基本没有串扰。

实施案例2

一种基于阻变效应的双通道六角晶格光子晶体非易失性光开关，本实施案例中，在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，通过等比例改变晶格常数的方法可以实现不同波长的光开关功能。另参数a=0.45μm，R=0.3a，r=0.2a，d1=1.132a，归一化光波频率ωa/2πc为0.4540和0.683，其他参数不变，使输出端I 2所在通道对应991nm的光波，输出端II 6通道对应659nm。通过仿真计算得到输出端I 2通道，对应归一化频率0.4540附近范围的光波的开态和关态的输出功率如图8(a)所示。通过计算得到输出端II 6通道，对应归一化频率0.683附近范围的光波的开态和关态的输出功率如图8(b)所示。根据图中数据计算可得输出端I 2通道的开关消光比可达50.7dB，6通道的开关消光比可达14.5dB。图9和图10分别为输出端I 2通道和输出端II6通道开关分别在开态和关态时的电场分布图，从图中可以得出开关在开态时大部分能量都通过器件，同时开关关闭时，两通道之间基本没有串扰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。