基于类EIT效应的光子晶体全光开关设计分析

高帅华

（厦门大学 福建省厦门市 361102）

1 引言

为了提高通信速度和信息量，需要研制利用光子技术直接控制信息交换的器件—全光开关。具有低开关功率、高开关速度和低吸收损耗等优良特性的纳米光子学全光开关是一个重要研究方向。目前光子晶体型开关，已经较为成熟，可以实现微米级尺寸，消光比8.45dB，响应时间500fs，然而传统光开关制作工艺难以实现工作寿命，插入损耗的可控指标，同时需要提高集成度以满足工作速度要求。本文基于晶体微腔类EIT效应，介绍一种新型全光开关结构与制备方法。

2 耦合谐振型光子晶体光开关基本原理

2.1 类EIT效应

EIT(Electromagnetically Induced Transparency)效应，即电磁诱导透明，是一种能产生于原子光激发通道间，导致介质吸收率急剧下降的强量子相干效应。EIT效应的吸收率曲线图1所示。

图1：EIT效应典型吸收率曲线[6]

当介质处于电磁场环境中时，介质会吸收电磁场的能量并因耦合作用引起谐振现象。而当同时存在两个电磁场，在两电磁场能量满足原子能级双共振条件情况下，原子系统会表现出对电磁场透明的现象，使电磁场可以完全通过原子系统。EIT窗存在的强色散作用在慢光和非线性光学领域有可观的应用价值。1999年Amnon Yariv等人在耦合光波导中发现一种类似EIT的现象，即类EIT（EIT-like）效应。

类EIT系统由2个谐振腔边耦合与1个光波导构成，光波先由光子晶体入射端注入，与第一谐振腔发生作用，作用后第一谐振腔进入过耦合状态，光波发生耦合回波导，产生正向和反向传输分量。回波导正向传输分量再与第二谐振腔发生耦合，同样产生两个分量。其中反向分量在缺三腔光学延迟特性的作用下，与第一谐振腔输出的正向分量发生FP谐振，产生类EIT谱。光子晶体波导耦合双腔结构如图2所示。

图2：光子晶体波导双边耦合谐振腔结构[8]

2.2 光子晶体简述及其制备工艺

光子晶体由两种或两种以上的具有不同介电常数的材料周期性排列形成，被设计出独特的光子带隙特性，用于控制光子传输状态。在光子晶体中引入特定缺陷，能够使光子禁带产生新的电磁波模式，使得与缺陷频率相符的光子有几率被缺陷限制，形成光子局域，光偏离缺陷位置就会迅速衰减。

目前，二维光子晶体的制备工艺为电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀等，基本步骤：

（1）采用MCOCVD生长技术制作外延片。

（2）对电子束胶进行电子束曝光，制作器件外形。

以上统计可得出，从2010年开始，关于高校基层行政人员职业倦怠研究的文献数量一直较稳定，每年的发稿数量都较稳定地保持在45篇以上。可见，关于高校基层行政管理人员的职业倦怠已保持长期且系统地深入研究，这也从一定意义上反映了该课题的研究的必要性。

（3）利用ICP刻蚀技术，将电子束胶图形转移到器件结构层。

（4）除去电子束胶，通过湿法腐蚀器件下层GaAs,获得光子晶体空气桥。

三维光子晶体的制备方法主要包括静电力自组织生长法，夏氏法和垂直沉积法。

2.3 光学kerr效应

光学Kerr效应是一种光场引起的介质折射率变化非线性变化效应。在强泵浦光ω引起介质折射率改变时，使用弱信号光ω探测非线性改变率，成为互作用光Kerr效应。根据文献，当Kerr材料确定时，引入的相移与光强呈线性关系，通过改变光强，可以实现对相移的有规律控制。

3 基于类EIT效应的光子晶体光开关仿真设计和制备

3.1 单光输入光子晶体全光开关设计与仿真

通过平面波展开法（PWM）可计算最大禁带宽度的光子晶体结构参数，并在此基础上设计环形谐振腔，实现全光开关的设计。选用琉系玻璃材料，折射率为3.1。构造二维正方体晶格结构，介质柱半径R=0.185a，晶格常数a=0.52um，白色部分是折射率为1的空气衬底。设计结构示意图如图3。

图3：基于共振耦合光子晶体全光开关结构

在完整光子晶体光子晶体晶格中先水平方向除去一行介质柱，从而引入线缺陷，形成光波导。再在光波导下方通过介质柱的移除，形成包含3×3内部介质柱的环形谐振腔，谐振腔与波导之间有一行介质柱隔开。根据前小结分析，光波从波导输入后，由于光子晶体特性，光波直接从波导透射。而随着光强增大，在光子和介质相互作用影响下，非线性光学Kerr效应增强，介质折射率改变，光子带隙随之变化。环形谐振腔随之改变自身谐振频率，并使符合条件的光波耦合进入谐振腔，而由于类EIT效应，环形谐振腔体现出选频特性，谐振腔内光波此时不能从波导输出，实现光开关功能。

通过Rsoft软件BandSOLVE模块，利用平面波展开法推算二维正方晶格光子晶体能带结构，计算得该光子晶体归一化频率范围为0.3128-0.4360，禁带宽度0.1232，对应波长范围1.19-1.66um，能带结构对TE模式禁带范围较宽。

在环形谐振腔不同位置添加包含整个禁带范围的高斯脉冲激励源，仿真结果显示，除激励源和探测器相对谐振腔呈对称分布情况外，均可通过一个监视器获得环形谐振腔的谐振频率。入射光波长λ分别为1.24μm，1.4μm情况下，光子晶体谐振腔中光强分布如图4。

图4：λ=1.24μm（上），λ=1.4μm（下）情况下光子晶体谐振腔中光强分布

当入射光波波长λ=1.55μm时，由于射入波导的光波频率与谐振频率接近，不能从另一端输出，此时开关为“关”的状态。若增大入射光强度，由于折射率的改变，谐振腔谐振频率也会相应改变，使得原本无法出射的光波不再进入谐振腔，而是通过波导。此时开关处于“开”状态。入射波λ=1.55μm时，TE模在光开关两种状态下光强分布如图5。

图5：光开关‘关’（上）、‘开’（下）状态下TE模光强分布

3.2 光控输入光子晶体全光开关设计仿真

单一输入光源的控制模式与目前光电子开关控制逻辑并不匹配，实际应用较为困难。为进行实际光开关的制备和性能测试，观察双路径相对相移的影响，闫西成团队设计了上臂集成相移倍增效应的马赫泽德干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）结构以构成全光开关。

该结构具有泵浦光输入，信号光输入和输出三个端口。当只有信号光输入光波导，没有泵浦光输入时，信号光经MZI上下壁，并最终在合束段汇合，上下光束的光程差相同，相干相长，使得输出端光输出较强，开关处于“开”状态。而在有信号光输入光波导的同时，泵浦光经垂直耦合器进入光波导的情况下，泵浦光以直接耦合形式进入上臂，由于Kerr效应，上臂波导折射率发生改变，改变量取决于泵浦光功率，使上半部信号光发生相移，最终在合束段与下臂信号光汇合时，由于存在π的相位差，上下光波相干相消，输出端无信号，开关处于“关”状态。

基于此结构，将仿真参数设计为：化合物InGaP材料折射率n=3.37，波导厚度t=252nm,晶格周期a=420nm，空气孔直径D=0.58a=243nm。仿真结构设计为：缺一排气孔的波导W1双边耦合两个缺三腔L3，光子晶体为三角晶格。此条件下仿真得泵浦光功率P=0mW，P=92.7mW时双腔结构透射谱和相移如图6。

图6

由图7知，随着泵浦光功率增加，1550nm波长的透射强度逐渐由（a）图的80%衰减至（c）图的10%，而相位差也从0扩大到π，实现合束光的相干相长和相干相消，完成光开关的开关功能。

利用FDTD Solutions，分别对开关结构的MZI分束端、DC耦合区、L3区、MZI转角区和MZI合束端进行最优参数设计，均进行了一定程度的优化。

在MZI分束端，通过在分支中心添加一个直径0.35a的气孔，将入射光总功率从0.8%大幅提升为30%。如图7。

图7

在DC耦合区，对不同耦合长度下泵浦光功率分布情况进行仿真，发现耦合长度为8a，可以明显提升耦合效率。

3.3 类EIT光子晶体光开关制备和测试

基于马赫泽德干涉仪全光开关结构，闫西成团队采用电子束刻蚀技术制备了二维光子晶体MZI光开关。选用材料结构为INGaP/GaAs/InGaP/GaAs，使用AIXTRON CCSIC×2外延片生长系统制备光子晶体。采用AZ5214型光刻胶，MJB6光刻设备对外延片进行刻蚀。涂胶后使用加热板110°C预先加热外延片60s。再进行曝光，显影漂洗以及坚膜烘焙等过程得到器件外形。随后进行电子束光刻（EBL）以及等离子体刻蚀（ICP）过程，使电子束胶图形转移到器件结构层。等离子体刻蚀过程中通过调整气体配比，解决了光子晶体孔形状和大小与预期不符的问题，如图8。

图8

由图8，优化后光子晶体不再有裂痕，且结构基本呈圆形。然后，湿法腐蚀掉GaAs。

搭建由外部光源、精密调整设备、监控设备、测量设备组成的测试系统，系统结构如图9。

图9：测试系统示意图

通过该系统，将输入光源转化为线偏振光，再与透镜光纤垂直耦合器耦合，将光波输入波导。借助监控设备进行垂直耦合过程中的距离和角度调整，以获得较大耦合效率。在输出端，通过插入垂直耦合器，将输出光与透镜光纤耦合，并通过光功率计采集透射光束。将采集到的数据与输入透镜光纤与输出透镜光纤直接耦合得到的数据对比，即可得到器件结构的光学特性。最终得到FP腔透射谱如图10。

图10：FP腔透射谱

透射结果显示损耗过大，原因是垂直耦合效率偏低，以及光子晶体粗糙程度大。可通过设计水平耦合器对垂直耦合器效率进行弥补，通过化学机械平坦化技术（CMP）消减粗糙表面造成的透射谱损耗。

4 设计优化思路和全光开关技术前景展望

4.1 类EIT光子晶体光开关制备工艺优化思路

目前基于EIT效应的光子晶体光开关已经能够实现二维光子晶体的成熟制备，并实现近红外-可见光波段的光学调制。但仍存在制备工艺较为复杂，成本高，透射效率低，复用率低的问题，严重制约了光开关技术的发展。针对这一问题，宋明丽等人提出了3D打印与光子晶体器件制备工艺结合的思路来制备三维光子晶体，同时实现制备工艺的简化和光子晶体性能的提高。传统三维光子晶体制备工艺例如蘸笔纳米光刻、相位光栅、多光束相干等，往往造价过高且制备容错率很低。而基于3D打印技术具有的稳定性，精确性，高效性，一次成型的特点，实现光子晶体的3D精确打印技术制备，能够有效解决光子晶体的瑕疵问题和制备效率，制备成本问题。

4.2 光子晶体光开关前景展望

目前经过20余年的技术发展，光子晶体理论已经基本成型，其工作原理和器件设计方面已经有了长足进展。但在制备工艺方面仍有许多关键性问题有待解决，例如二维光子晶体高Q值微腔的精度控制问题，这要求设备精度需要达到亚纳米量级。对于三维光子晶体而言，如何向其中引入高精度的功能性缺陷，仍有待研究。

5 结束语

本文介绍了新型类EIT效应光子晶体全光开关的工作原理、制备方法和性能分析。通过控制两个光子晶体微腔谐振波长，控制类EIT实现选频特性，达到光开关的效果，使用FDTD solution可得到良好的仿真光谱特性，在1550nm实现稳定开关功能。针对实际制备工艺流程的性能缺陷介绍了优化方案，对尚存的晶体瑕疵问题，介绍了创新型解决思路。相对于现有电子集成电路，集成光路有巨大的工作频率和计算力优势，光子光路必然是未来信息技术领域的导向技术。在精度要求较低的光电领域，例如光子晶体太阳能电池，光子晶体传感器等，在现有成熟理论体系的支持下，很有可能在不久的将来进入规模化生产阶段。