基于级联非线性微腔的全光二极管研究*

李潮 王敏 刘道柳 胡永禄 吴俊芳

(1.华南理工大学 物理与光电学院， 广东 广州 510640； 2.威斯康星大学麦迪逊分校， 美国 威斯康星 麦迪逊 53705)

基于级联非线性微腔的全光二极管研究*

李潮1,2王敏1刘道柳1胡永禄1吴俊芳1,2

(1.华南理工大学 物理与光电学院， 广东 广州 510640； 2.威斯康星大学麦迪逊分校， 美国 威斯康星 麦迪逊 53705)

全光二极管是未来光通信和光计算中的关键器件之一.文中通过仿真实验,利用时域有限差分法研究了一种新型非线性光子晶体全光二极管的非互易光传输特性,提出通过利用两个超短脉冲泵浦对光子晶体直接耦合微腔与侧边耦合微腔分别进行泵浦,以对两个微腔的非线性光学双稳态进行精确调控,从而在较宽的工作带宽内(0.44 nm,是已报道的数十倍)实现信号光的单向高透射率(可达90%)，同时可获得较高的正反向传输对比度(超过80).

全光二极管；光子晶体；光学双稳态；时域有限差分法

信息技术的迅猛发展亟需更快的信息处理速度以及更大的信息存储能力，而全光信号处理可以突破集成电路的瓶颈,使信息处理速度及信息存储能力显著提高.其中，全光二极管又是全光信号处理中的一个关键器件，因此近年来对于全光二极管的研究成为了光学领域中的研究热点之一,而基于光子晶体[1- 2]的全光二极管更是备受青睐.光子晶体是一种在微米、亚微米等光波长量级上折射率呈周期性变化的介质材料,通过设定合适的光子晶体参数,可以制作出工作在通信频段(波长为1 550 nm左右)的全光二极管.

国内外很多研究在全光二极管方面取得了卓越进展.Scalora等[3- 4]第一次提出基于光子晶体全光二极管的设想,它依赖于非线性光子晶体带边的动态移动,但是这种利用禁带边缘制备的全光二极管存在局限性,因光子晶体只存在上下两个禁带边缘,入射光波的频率只在禁带边缘范围内才作用,限制了全光二极管的应用;Wang等[5- 6]利用空间对称破缺的原理,设计并制造了无源、被动、线性、易集成的硅基二维光子晶体全光二极管,实现了集成光学非对异性传输的突破;Lu等[7]通过将金属纳米颗粒表面等离激元共振增强非线性光学效应与光子晶体微腔的强光子局域效应相结合成功制备了低功率、高对比度的全光二极管,可以达到接近实用化的要求;Fan等[8]利用微环谐振器非线性效应成功制作出了光隔离器,获得了大约27 dB的正反向传输对比度,但是其透射率不高,工作带宽不到0.1 nm;Hwang等[9]利用液晶材料的光子带隙效果以及非对称的异质结界面,实现了对圆偏振光的单向传输,然而液晶材料由于较大的尺寸不适合于实际的集成应用;Lu等[7,10]利用二维光子晶体异质结结构在实验上实现了低功率、高对比度的光二极管.

众所周知,在光子晶体中引入点缺陷形成微腔可以使光局域在波长量级的狭小空间内，从而使微腔内的光能量密度大大提高.如果在缺陷内引入非线性介质,就可以显著增强其非线性效应.利用这种非线性效应可以动态地改变缺陷内介质柱的折射率,从而对其谐振波长进行调控,使其处于谐振或失谐状态.文中物理模型利用两个谐振频率略有不同的点缺陷分别形成光子晶体非线性直接耦合腔以及侧边耦合腔结合的Fano型结构，在特定的信号光功率下,选择合适功率的超短脉冲泵浦光分别对直接耦合腔和侧边耦合腔进行泵浦,以使两个光子晶体微腔出现双稳态现象(高能量态以及低能量态),采用高能量态与低能量态的组合,以期在较宽的工作带宽内实现高的正向透射率和超低的反向透射率,并使其具有很高的对比度和较大的带宽.

1 全光二极管的结构及线性情况下的透射谱

文中的光子晶体二极管结构如图1所示,其基本单元是由16×11的Si基介质柱构成的正方晶格,沿xy方向分布,Si介质柱折射率n0=3.4,高度(沿z方向)h=3 nm,其光子晶体的晶格常数a=543 nm,介质柱直径d=0.4a,光子晶体直接耦合腔A1中介质柱半径r1=0.21a,侧边耦合腔A2介质柱中半径r2=0.213a,A1腔与A2腔中的介质柱的线性折射率n1=1.59.在文中的时域有限差分法(FDTD)计算中[11]，沿着x和y方向的空间步长都选为a/20，并将厚度为1 μm的完全匹配层(PML)作为边界吸收条件，而激励源都选为腰斑尺寸为0.15 μm的Gauss波形光束，并令其电场偏振沿着介质柱方向(TM偏振).

图1 光子晶体全光二极管结构示意图Fig.1 Schematic diagram of photonic crystal all-optical diode

线性情况下,当直接耦合腔A1或侧边耦合腔A2单独存在时,由耦合模理论(CMT)可知透射率分别为[12- 13]

(1)

(2)

(3)

利用式(3)以及FDTD法分别得到了线性情况下的理论透射谱和数值仿真透射谱(在仿真计算中，连续波(CW)信号光为腰斑尺寸为0.15μm的Gauss波形光束，并令其电场偏振沿着介质柱方向，从波导的最左端或最右端入射，其余参数与上文同),如图2所示.结果显示,理论数据与数值仿真数据几乎完全重合,呈现出典型的Fano型曲线.而且,该透射谱与光的传输方向没有关系,即在线性情况下光传输是互易的.

图2 线性情况下的理论透射谱与数值仿真透射谱

Fig.2 Theoretical and numerical transmission spectra in the linear case

2 单信号光非线性情况下的透射谱

上述分析说明在线性情况下,可以在极窄的频率范围内实现透射率从0到81%的急剧变化(如图2所示),但是正向、反向透射率一样,还实现不了光的单向传输.因此文中在直接耦合微腔A1和侧边耦合微腔A2引入Kerr非线性,结构仍然如图1所示,其中微腔介质柱的折射率n=n1+n2I,n2为材料的非线性系数,I为微腔中的光强.在文中仿真计算中,微腔材料的线性折射率以及非线性系数分别取为n1=1.59和n2=1×10-5μm2/W.由于采用直接耦合腔A1和侧边耦合腔A2形成的不对称结构,信号光能量耦合进入腔内的能量会因入射方向的不同而不同，在非线性Kerr效应的作用下，两个微腔谐振频率的红移量也将不一样，从而使得光的正反向传输是非互易的.文献[14]认为,在合适的信号光频段以及合适的信号光功率下,由于从左到右和从右到左的两个微腔的红移量不同,将使得从右到左传输时的峰值透射率与从左到右传输时的谷值透射率在某一频率ωi相遇(如图3所示),从而获得较高的正向透射率和极低的反向透射率,并且理论上正反向传输对比度可达无穷大.

图3 文献[14]预言的非线性透射谱

Fig.3 Nonlinear transmission spectra presented by Ref.[14]

文中通过用有限时域差分法进行数值仿真计算(信号光功率依次取为Pin=0.000,0.002,0.005和0.010 W，其他参数与上文同.沿着x和y方向的空间步长都选为a/20，并将厚度为1 μm的完全匹配层(PML)作为边界吸收条件),结果如图4所示.虽然从右到左传输和从左向右传输时,透射谱的确出现了红移,且红移量随着信号光功率的增大而增大,但是透射谱的谷值会随着信号光功率增大而逐渐上升,直至无明显谷值.

图4 仿真计算得到的不同信号功率下的透射谱

Fig.4 Transmission spectra at different signal powers obtained by FDTD calculations

图5 不同信号光功率下正、反向透射谱对比

Fig.5 Comparison of the transmission spectra for two opposite transmission directions at different signal powers

3 双脉冲泵浦下信号光的非互易传输特性

上述分析说明,在单信号光的情况下,光的正、反向传输对比度不高,工作谱宽太窄,达不到全光二极管的较高性能要求.为克服此困难,分别对光子晶体直接耦合腔A1以及侧边耦合腔A2加入超短脉冲泵浦源,超短脉冲泵浦Pulse1和Pulse2的中心波长均为(1550±2) nm,脉宽为200 fs,重复频率为350 MHz,利用非线性光学双稳态效应对两个微腔进行精细调控,如图6所示,所采用的光子晶体结构参数及材料与图1相同，其工作原理如下.

图6 双脉冲泵浦下的全光二极管示意图

Fig.6 Schematic diagram of all-optical diode under the pump of two pulses

当一定功率和波长(其波长略大于侧边耦合微腔的谐振波长)的连续波信号光入射时,利用两束不同功率的超短脉冲泵浦光Pulse1为与Pulse2分别对直接耦合微腔A1和侧边耦合微腔A2进行泵浦.其中直接耦合腔充当可变透射单元,而侧边耦合腔充当可变反射单元.由于这两个微腔都是非线性的,在合适的脉冲泵浦功率下,借助非线性Kerr效应可使得这两个微腔出现光学双稳态,即高能量态和低能量态.

当光从左边入射时,在合适的Pulse1泵浦功率下直接耦合微腔A1处于高能量状态,A1微腔的谐振波长将产生红移,如果红移后的谐振波长与入射信号光波长恰好相等,则信号光将以较高的透射率通过直接耦合腔,与此同时,在合适的Pulse2功率下侧边耦合腔A2处于低能量态,信号光不会被侧边耦合腔反射,从而实现从左到右的高透射率;反之,当光从右边入射时,若能使直接耦合微腔A1处于低能量透射失谐状态(此时透射率很低)而侧边耦合腔A2处于高能量反射谐振态(此时侧边耦合腔相当于一个高效的反射镜),则信号光将被侧边耦合微腔和直接耦合微腔双重反射,从而实现从右到左的超低透射率.这样便可同时实现正向高透射率、反向低透射率以及高对比度.

为验证上述思想,不失一般性,以信号光功率Pin=0.005 W为例,当把超短脉冲泵浦Pulse1和Pulse2功率分别调至18 W和8 W时(其他参数与图6同，且沿着x和y方向的空间步长均为a/20，并将厚度为1 μm的完全匹配层作为吸收边界条件),可以实现正向高透射率、反向低透射率(左高右低)的效果：当光从左边入射时,直接耦合微腔A1处于谐振高透射态,而侧边耦合腔A2处于失谐低反状态,故信号光能以较高的透射率(88%)从左向右透射;而当光从右边入射时,直接耦合微腔A1处于失谐低透状态，同时侧边耦合腔A2处于谐振高反态,故信号光将被侧边耦合微腔和直接耦合微腔双重反射,从而实现从右到左的超低透射率(小于1%)，如图7所示,最高对比度可达83,带宽可达0.44 nm,是现已报道的其他Fano型光二极管的数十倍[8].

图7 双脉冲泵浦下的全光二极管透射谱

Fig.7 Transmission spectra of all-optical diode under the pump of two pulses

4 结语

文中研究了非线性光子晶体直接耦合腔与光子晶体侧边耦合腔组合下的单向透射特性,并利用时域有限差分方法对其正、反向传输特性进行了分析,发现在单信号光功率的情况下,随着信号光功率的增大,谷值会消失,达不到理想的光二极管的透射特性.在此基础上,采用独立的两个超短脉冲泵浦对光子晶体直接耦合腔与侧边耦合腔分别进行泵浦,对两个微腔的非线性光学双稳态进行精确调控,在较宽的频段范围内利用合适的泵浦功率可以实现信号光的单向高透射率以及高对比度.文中研究结果对全光二极管器件的设计与应用具有重要的参考价值.

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Investigation into All-Optical Diode Based on Cascaded Nonlinear Microcavity

LI Chao1,2WANG Min1LIU Dao-liu1HU Yong-lu1WU Jun-fang1,2

(1. School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2. University of Wisconsin-Madison, Madison 53705, Wisconsin, USA)

All-optical diode is one of the key devices of future optical communication and photonic computer. In this paper, the nonreciprocal optical transmission characteristics of a new-type all-optical diode based on nonlinear photonic crystal (PC) are analyzed by means of finite difference time domain, and two ultrashort pulse lasers are used to pump the PC directly-coupled microcavity and the side-coupled microcavity, respectively, so that the nonlinear optical bistable state of the two microcavities can be accurately adjusted and a high-performance optical diode, which is of a unidirectional transmission rate up to 90% and a forward-reverse transmission contrast ratio of more than 80, is realized in a broad operating bandwidth of more than 0.44 nm (dozens of times that in the literature).

all-optical diode; photonic crystal; optical bistable state; finite difference time domain

2016- 03- 18

国家自然科学基金资助项目(11304099)；广东省自然科学基金资助项目(S2013040015639)；华南理工大学中央高校基本科研业务费面上项目(2014ZM0077) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(11304099)and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(S2013040015639)

李潮(1976-), 男，博士,副教授,主要从事微纳光子学领域的研究.E-mail:lichao@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)06- 0015- 05

TN 256

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.06.003