基于光學tamm 態的聲光開關的研究

張若羽 李培麗 高輝

(南京郵電大學電子與光學工程學院, 南京 210023)

1 引 言

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

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

本文利用一維光子晶體異質結中的OTS 和聲光效應, 提出一種基于OTS 的聲光開關. 通過施加超聲場, 調節超聲波的振幅, 改變介質材料的折射率和厚度, 使得一維光子晶體異質結的OTS 發生漂移, 從而實現聲光開關的通斷控制. 考慮了在一維光子晶體異質結中的聲光效應, 建立了基于OTS 的聲光開關的理論模型. 利用COMSOL 軟件, 對基于OTS 的聲光開關進行了研究, 同時仿真研究了消光比、插入損耗、響應時間等性能參數.

2 結構設計及工作原理

2.1 結構設計

圖1(a)為超聲波發生器原理圖, 脈沖信號進入壓電式換能器, 換能器的頻率就是超聲波的頻率, 圖中變幅桿用于調節超聲波振幅. 圖1(b)為基于OTS 的聲光開關結構圖及施加的超聲波波形圖,a為超聲波振幅, 聲光開關結構為(AB)NACCA(BA)N, 介質為聲光材料. 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構, 晶格常數為0.303 nm; 材料B砷化鎵屬于閃鋅礦結構, 晶格常數為0.565 nm; 材料C二氧化碲屬四方晶系結構, 晶格常數為0.479 nm. 根據(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

當入射光進入一維光子晶體異質結時, 缺陷層C與上下層介質的交界面等效成一個微腔結構[11].入射光在介質A與C的交界面處來回傳播, 直到滿足相位匹配條件時, 微腔內出現強局域現象, 形成OTS. 此時由于入射光被局域在交界面處, 導致入射光急劇減少, 反射譜中出現反射峰, 反射峰的中心波長就是OTS 的本征波長.

OTS 的本征波長與結構材料的折射率和厚度有關[12]. 當超聲波作用于光學介質時, 一維光子晶體異質結的各層介質就會產生隨時間和空間呈周期性變化的彈性應變, 其折射率和厚度也會隨之發生變化[13]. 入射光通過改變后的光學介質時,OTS 的本征波長會發生一定漂移[14].

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

若入射光處于一維光子晶體異質結禁帶范圍內的高反射區域, 此時反射率很大, 入射光基本被反射回去, 聲光開關處于導通狀態; 施加相應振幅的超聲波時, 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, 聲光開關處于斷開狀態[16]. 因此, 可通過是否施加與入射光波長相應振幅的超聲波來實現聲光開關.

圖1 超聲波裝置及聲光開關結構圖 (a) 超聲波發生器原理圖; (b) 聲光開關結構及超聲波波形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結中的傳輸特性可用傳輸矩陣法[17]來分析, 該聲光開關的傳輸矩陣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.

假設超聲波從z軸垂直入射, 超聲波進入一維光子晶體異質結時, 相對光波而言, 超聲波的傳播速度過慢, 近似為靜止狀態. 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, 一維光子晶體異質結在應力作用下介質會發生一定形變[19], 折射率和厚度均會發生相應變化. 由(4)式可得超聲波產生的應變方程為

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.

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

產生聲光效應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r[20]可用下式表示:

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

根據式(8)—式(19)可看出超聲波振幅a會使得一維光子晶體異質結的折射率n和厚度d發生改變, 進而對OTS 的本征波長產生影響. 因而本文通過改變超聲波的振幅對OTS 進行控制.

4 仿真結果及分析

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 的聲光開關進行仿真研究.

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結的反射譜. 由圖可知, 一維光子晶體的反射譜在1200—2200 nm 范圍內反射率很高,存在一個禁帶. 這是由于其周期性結構的特點, 入射光在一定波長范圍內無法穿過光子晶體, 因而出現了光子帶隙. 一維光子晶體異質結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,入射光幾乎都進入了一維光子晶體異質結, 缺陷層出現強局域現象, 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結施加超聲波, 會使各層介質的折射率和厚度發生不同程度的變化, 產生聲光效應, 從而一維光子晶體異質結的OTS 的本征波長發生漂移. OTS 本征波長與超聲波振幅的關系如圖3 所示.

圖3 超聲波振幅與OTS 本征波長關系圖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生一定漂移, 漂移的波長范圍為1537—1550 nm. 當振幅超過0.4 nm 時本征波長幾乎不再發生改變, 因而本文只討論超聲波振幅為0.4 nm 以下的情況.

設置超聲波激勵的頻率為20 MHz, 改變超聲波的振幅進行仿真實驗. 假定超聲波經過一維光子晶體異質結的波速為5200 m/s. 圖4(a)為聲光開關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 處對應的電場強度分布. 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結交界面附近并沒有發生明顯局域現象, 即沒有激發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結交界面附近處出現強局域現象, 即OTS 被激發, 如圖4(c)所示.

當入射光波長在一維光子晶體異質結的本征波長為1550 nm 附近時, 從圖4(a)可以看出, 當不施加超聲波時, 入射光大部分進入一維光子晶體異質結, 被局域在缺陷層中, 未被反射回去, 聲光開關處于斷開狀態; 當施加振幅為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生漂移, 入射光由低反射區變為高反射區, 入射光基本上被介質反射回去, 聲光開關處于導通狀態.

圖4 聲光開關施加振幅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.

當入射光處于一維光子晶體異質結禁帶范圍內的高反射區域, 從圖4(a)可以看出, 當不施加超聲波時, 此時反射率很大, 入射光基本被一維光子晶體異質結反射回去, 聲光開關處于導通狀態; 如圖3 所示, 施加相應振幅的超聲波, 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斷開. 比如當入射光波長為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,聲光開關處于斷開狀態. 因此, 可通過是否施加與入射光波長相應振幅的超聲波來實現聲光開關.

5 光開關性能分析

消光比、插入損耗、響應時間是衡量光開關性能的重要指標[21]. 本文對基于OTS 的聲光開關的消光比、插入損耗、響應時間分別進行研究.

5.1 消光比

消光比[22]是指光開關導通狀態和斷開狀態的光功率之比. 若消光比太低則會導致一系列誤碼問題. 消光比η為

其中,P1為聲光開關為導通狀態時的光功率,P0為聲光開關為斷開狀態時的光功率.

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

圖5 聲光開關的波長與消光比的關系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 振幅超聲波來實現聲光開關的情況下, 入射光在1546.1—1553.8 nm 范圍內, 聲光開關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, 達到13.17 dB; 在1548.8—1551.7 nm波長范圍內最低也可達12 dB. 在是否施加與入射光相對應振幅的超聲波來實現聲光開關的情況下,入射光在1534.8—1545.8 nm 范圍內, 聲光開關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 波長范圍內消光比最低僅有12 dB.

5.2 插入損耗

插入損耗[22]是開關導通狀態下的輸出功率與輸入功率之比. 插入損耗γ為其中,Pout是聲光開關導通時的輸出功率,Pin是聲光開關導通時的輸入功率.

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

圖6 聲光開關的波長與插入損耗的關系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 振幅超聲波來實現聲光開關的情況下, 入射光在1548.8—1551.7 nm 范圍內, 聲光開關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 波長范圍內插入損耗最高也僅有0.97 dB. 在是否施加與入射光相對應振幅的超聲波來實現聲光開關的情況下, 入射光1536.6—1543.3 nm 范圍內, 聲光開關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 這一波長范圍內插入損耗最高僅有0.99 dB.

5.3 響應時間

基于OTS 的聲光開關的導通與斷開由超聲波施加與否實現, 可分為由“通”到“斷”和由“斷”到“通”兩個過程, 其響應時間為兩個過程達到系統穩定的時間[23].

基于OTS 的聲光開關響應時間與入射光波長的關系如圖7 所示, 其中實線表示聲光開關由“通”到“斷”系統穩定所需的時間, 虛線表示聲光開關由“斷”到“通”系統穩定所需的時間. 可以看出在由“通”到“斷”的情況下系統穩定時間不高于13 ns,在由“斷”到“通”的情況下系統穩定時間不高于10 ns.

圖7 聲光開關響應時間與入射光波長的關系Fig. 7. Relationship between response time of acousto-optic switch and wavelength of incident light.

6 結 論

本文利用一維光子晶體異質結的OTS 以及聲光效應, 提出了一種聲光開關, 建立了這種聲光開關的理論模型, 利用COMSOL 軟件進行仿真研究. 研究結果表明, 隨著超聲波振幅的增加, 一維光子晶體異質結的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OTS 本征波長漂移至1538 nm 來實現聲光開關.在1548.8—1551.7 nm 這一波長范圍內消光比最低有12 dB, 最大消光比可達到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振幅的超聲波, 使得OTS 的本征波長漂移至對應的入射光波長來實現聲光開關. 在1536.6—1543.3 nm 這一波長范圍內消光比最低有12 dB, 最大消光比可達到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. 聲光開關的響應時間不高于13 ns.

本文設計的聲光開關易于集成, 和現有聲光開關相比, 消光比更高, 插入損耗更低, 更具有優越性, 可在未來光通信中得到有效應用.