电化学金属化的正方光子晶体波长选择光开关

技术领域

本发明涉及电控光子晶体光开关的技术领域，尤其涉及一种电化学金属化的正方光子晶体非易失性波长选择光开关。

背景技术

光子技术以其在带宽、容量和可并行处理等方面的优点，逐步显示出巨大优势。在通信方面，光纤光缆通信已逐步替代电缆通信；随着波分复用（DWDM）技术和全光通信网的发展，光开关已经成为光通信技术中重要的组成元件，其性能的好坏成为决定节点性能和网络性能的关键。

在光通信中，光开关器件的生产和使用成本以及对波长和空间资源的充分利用是其中需要考虑的两个重要问题。由于光子晶体谐振腔具有非常好的波长选择特性，同时还具有应用结构灵活、可以实现多种方式的可调谐等诸多优良特性，使得光子晶体谐振腔在滤波器、波分复用器、光调制器、光开关和激光器中获得广泛研究。此外，由于光子晶体结构器件的尺寸很小，对于高集成密度和低成本的应用具有很强的优势。以光子晶体为基础的微小器件，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波长选择光开关。由于电化学金属化的作用，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形成纳米级别的金属细丝，从而改变点缺陷的位置。由于点缺陷的位置发生变化，所以对应谐振腔的谐振频率就发生变化，最终改变光子晶体波导的透过率，这样就构成了电化学金属化结构的光子晶体波长选择光开关。另外，由于电化学金属化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。现有波长选择光开关的结构大多采用微机电系统或者液晶材料，由此使得器件的结构较大，而且功耗过高。

发明内容

针对现有波长选择光开关结构尺寸大和功耗高的技术问题，本发明提出一种电化学金属化的正方光子晶体非易失性波长选择光开关，结构体积小，高效便于集成。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种电化学金属化的正方光子晶体波长选择光开关，包括光子晶体，所述光子晶体上设有若干个硅介质柱和具有TE禁带的光子晶体波导，光子晶体波导位于硅介质柱之间；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分别设有输出端I和输出端II，输出端I和输出端II的方向相反，输入端分别与输出端I和输出端II互相垂直，输入端与输出端I之间设有谐振腔I，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I，谐振腔II内设有缺陷介质柱II，缺陷介质柱I和缺陷介质柱II均与提供偏置电压的偏置电路相连接。

优选地，所述偏置电路包括方波信号发生器，缺陷介质柱I或缺陷介质柱II的电极通过导线分别与方波信号发生器相连接。

优选地，所述光子晶体为二维正方晶格光子晶体；所述硅介质柱的形状为圆形。

优选地，所述谐振腔I的中心设有缺陷介质柱I，谐振腔II的中心设有缺陷介质柱II。

优选地，所述光子晶体的硅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的材质为折射率大于2且易于形成导电细丝的氧化物材料；所述缺陷介质柱I和缺陷介质柱II两端的电极镀有易于发生电化学氧化还原反应的材质。

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；缺陷介质柱I和缺陷介质柱II两端的电极镀有银或铜。

优选地，所述光子晶体波导的波导平面垂直于硅介质柱的轴线；所述缺陷介质柱I和缺陷介质柱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；在方波信号发生器产生方波信号作用于缺陷介质柱I的电极两端时，缺陷介质柱内会形成导电细丝，导电细丝的形成改变谐振腔I的谐振频率，从而分别改变输出端I的输出功率；在方波信号发生器产生方波信号作用于缺陷介质柱II的电极两端时，缺陷介质柱内会形成导电细丝，导电细丝的形成改变谐振腔II的谐振频率，从而分别改变输出端II的输出功率。

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，光子晶体波导的波导宽度d

优选地，两个谐振腔的谐振频率不同，实现不同波长进入不同通道的功能，从而实现波长选中的作用；相应的TE禁带的工作波长的范围分别为1.949a至2.44a、3.31a至4.31a；输出波长与谐振腔的谐振波长相关，在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，谐振波长通过改变晶格常数a、缺陷介质柱的材质和粗细得到与其等比例的满足波长范围的波长值；工作波长通过改变晶格常数和缺陷介质柱的材质和尺寸来调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果：结构体积小，便于集成，开关时间响应快，光传输效率高，适合大规模光路集成；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，可以在一定波长范围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。波长选择功能：由于谐振腔的谐振频率可调，所以该器件的每个通道输出波长不同，可以实现波长选择光开关的功能。

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为图1所示的立体结构示意图。

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的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的输出端I作为开关通道时的光场分布示意图，其中，（a）为输出端I导通时的光场分布，（b）为输出端口I关闭时的光场分布。

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

图8为本发明实施例2的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的输出端I作为开关通道时的光场分布示意图，其中，（a）为输出端I导通时的光场分布，（b）为输出端口I关闭时的光场分布。

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

本发明提出了一种电化学金属化的正方光子晶体波长选择光开关，如图1所示为其删除外加控制电路的平面结构示意，包括光子晶体，光子晶体上设有一个具有TE禁带的光子晶体波导，所述光开关还包括一个输入端1、两个输出端分别为输出端I2和输出端II6、作为背景的硅介质柱3、两个谐振腔包括谐振腔I4和谐振腔II7，两个两端分别镀银电极的缺陷介质柱I5和缺陷介质柱II8。输入光子晶体波导的端口为输入端1，输出光子晶体波导的端口为输出端I2和输出端II6。谐振腔位于输入光子晶体波导和输出光子晶体波导之间的位置。所述输入端1分别与输出端I2和输出端II6互相垂直，两个谐振腔分别位于输入端1与输出端I2、输出端II6之间。输入端位于光子晶体的左端，两个输出端分别位于光子晶体的上方和下方。本器件初始信号光从左侧输入端1入射，分别从输出端I2和输出端II6输出光波；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，方波信号作为控制信号通过谐振腔耦合进入输出端。缺陷介质柱I5和缺陷介质柱II8分别位于两个谐振腔的中心位置，该缺陷介质柱两端镀有银电极并且与方波信号发生器通过导线相连。如图2所示为含有外加控制电路的波长选择光开关。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I5的两端银电极分别相连；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II8的两端银电极分别相连。

光子晶体为二维正方晶格光子晶体，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。如本案例选择背景未空气，介质柱3为硅介质柱。硅介质柱的形状为圆形。

缺陷介质柱I5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II8的材质为二氧化钛等折射率大于2且易于形成导电细丝的氧化物材料。缺陷介质柱I5和缺陷介质柱II8的两端镀的电极均为银、铜等易于发生电化学氧化还原反应的材质。

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

本发明的光子晶体为正方晶格，晶格常数为a，硅介质柱半径为0.3a。采用平面波展开法计算得到光子晶体中TE禁带结构，其中两个TE禁带分别为0.41至0.513（ωa/2πc）、0.232至0.302（ωa/2πc）。在其中间的任何频率的光波将被限制在波导中。

本发明所使用的光子晶体波导是删除部分硅介质柱而形成导波波导。波导平面垂直于光子晶体中的硅介质柱的轴线。谐振腔为中心背景硅介质柱去掉加上缺陷介质柱后形成的。缺陷介质柱的光轴和背景硅介质柱的方向一致。

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。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，从而改变输出端口的输出功率。

本发明的光开关，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口输出，输出波导的光波功率比较大，此时开关处于开态。由于不同谐振腔的谐振频率不同，则该器件就会实现不同波长进入不同通道的功能，从而实现波长选中的作用。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

；

其中，λ、

本发明中正方晶格硅结构的光子晶体的归一化TE禁带的频率范围

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

实施例1

一种电化学金属化的正方光子晶体波长选择光开关，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=1.4a，归一化光波频率ωa/2πc分别为0.4405和0.2845，其他参数不变，使输出端I 2通道对应908nm的光波，输出端II6通道对应1406nm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0.4405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II6通道，对应归一化频率0.2845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25.3dB，输出端II6通道的开关消光比可达20dB。图6和图7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5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。

实施例2

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=1.4a，归一化光波频率ωa/2πc为0.4404和0.2845，其他参数不变，使输出端I 2通道对应1021nm的光波，输出端II6通道对应1582nm。通过仿真计算得到输出端I 2通道，对应归一化频率0.4405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II6通道，对应归一化频率0.2845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8中数据计算可得输出端I 2通道的开关消光比可达25.4dB，输出端II6通道的开关消光比可达19.6dB。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9和图10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。