一种动态控制的光子晶体慢光的实现方法技术

本发明专利技术公开一种动态控制的光子晶体慢光的实现方法，具体步骤如下：a，初始定性参数；b，慢光波导装置在高群折射率、低色散的条件下，具有平坦带宽的慢光效应，并且具有该特性的慢光群速度根据外加电压控制在大范围内变化，得到平坦带宽的慢光效应；c，获得宽带低色散的慢光效应需ng在|Δng|≤10％的范围内保持稳定；d，慢光的低色散特性以及带宽和群折射率之间的关系；e，电光效应的有机聚合物的折射率变化主要受Pockels效应的影响，折射率的变化量依赖于材料的二阶磁化率；f，光场局域作用下，有机聚合物的有效二阶极化率得到有效提高。该种发明专利技术解决了在慢光波导制备完成之后所支持的最优宽带慢光群折射率位置和群速度无法动态变化的问题。

A method of slow light control in photonic crystals with dynamic control

The invention discloses a method for dynamic control of slow light in photonic crystal, the specific steps are as follows: A, B, initial qualitative parameters; slow light waveguide device in high rate and low dispersion index under the condition of slow light effect with bandwidth, and has the characteristics of slow light group velocity according to the applied voltage control changes in a large range, get the slow light effect of bandwidth; C, wideband low dispersion slow light effect to remain stable in the range of ng | Delta ng| is less than or equal to 10%; D, low dispersion slow light and the relationship between bandwidth and group refractive index; e polymer electro-optic effect of refraction the effect of the rate of change is mainly affected by the Pockels effect, the variation of the refractive index depends on the material of the two order susceptibility; F, the local light field under the action of two order effective poled polymer rate can be improved effectively. The invention solves the problem that the optimal broadband slow light group refractive index position and group velocity can not be dynamically changed after the slow light waveguide is finished.

【技术实现步骤摘要】
一种动态控制的光子晶体慢光的实现方法
本专利技术涉及光学
，具体为一种动态控制的光子晶体慢光的实现方法。
技术介绍
慢光效应是指电磁波传输具有比真空中光速3×108m/s低很多的群速度，它可以广泛应用于光学延迟线、全光缓存器，光调制器、光开关、以及加强光与物质相互作用等领域。光子晶体的慢光结构，由于其结构微小紧凑、便于集成，便于与光纤系统耦合匹配，传输损耗小，以及室温运行，可以通过结构和材料进行灵活设计控制慢光效果等特性，光子晶体慢光在全光通信系统和全光信息处理的应用中具有无可比拟的优势；目前，常用的光子晶体线缺陷波导(PhotonicCrystalWaveguide,PCW)慢光面临两个亟待解决的问题：第一，较大的群速度色散和小的慢光带宽，群速度色散会引起信号波形失真，影响信息传输的质量；而太小的慢光带宽会限制传输容量。第二，慢光的动态控制，在实际应用中，光缓存的写入与读出，缓存时间的控制，光开关和光调制器的状态控制，都需要慢光的动态控制来实现，然而，国内外对光子晶体慢光动态控制的研究较少。目前，国内外的研究者提出了一些获得带宽较宽、低色散慢光的方法，通过结构设计，如调整线缺陷的宽度或在线缺陷附近添加平行缝隙，调整波导附近两侧散射元的形状、大小、位置，引入啁啾波导或异质结构，将靠近线缺陷的两排空气孔沿波导方向平移、并改变其间距的大小；但是，上述方法主要集中在波导附近局部结构的细微调整和设计，这造成了制备的极大困难并且很容易造成制备误差；另外，一旦波导结构设计制备完成，传输特性便固定不可变，即仅在特定群折射率位置的慢光宽带、低色散特性能够保证，在其他群折射率位置，带宽和色散特性急剧劣化。获得宽带低色散慢光，还可以通过材料设计实现，这种方法是在线缺陷波导制作完成之后，在光子晶体的空气孔中渗透微光流体、液晶或者填充柔性材料，如有机聚合物等。在光子晶体制备完成后填充后期材料可以改变波导的有效折射率分布，调整波导的慢光传输特性。但是，以往的材料填充研究，没有涉及结构变化对填充效果的影响，对于确定波导结构中，填充材料确定材料，实现特定频率和群速度的宽带低色散慢光传输，改变填充材料时，宽带慢光的带宽、色散特性也随之劣化。目前，将结构调整和材料填充两种方法有机地结合在一起，系统研究两个因素共同对慢光特性研究尚未发现，慢光群折射率连续变化的动态控制也未发现。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有基于光子晶体的慢光结构中慢光带宽太窄，群速度色散太大，在慢光波导制备完成之后所支持的最优宽带慢光群折射率位置和群速度无法动态变化的问题。为解决上述问题，本专利技术提供如下技术方案：一种动态控制的光子晶体慢光的实现方法，所述的动态控制的光子晶体慢光的实现方法具体步骤如下：a,初始定性参数，在相同频段，基于基本的光子晶体慢光波导结构，通过外加电压，控制第二排孔内电光有机聚合物聚苯乙烯的折射率n2的变化，获得群折射率和运行波长连续变化的平坦宽带慢光分布，同时保持宽带、低色散特性；选择圆形空气孔三角晶格排列结构不同的晶格常数a，获得不同频段的宽带低色散慢光传输，根据实际所需的慢光波长，晶格常数a＝F×λ，其中，F为平坦宽带慢光的归一化频率，λ为平坦慢光的波长；b,慢光波导装置在高群折射率、低色散的条件下，具有平坦带宽的慢光效应，并且具有该特性的慢光群速度根据外加电压控制在大范围内变化，得到平坦带宽的慢光效应，群折射率ng和色散的关系由公式(1)表示：c，获得宽带低色散的慢光效应是指慢光群折射率ng在|Δng|≤10％的范围内保持稳定，对应的色散曲线F(K)保持线性变化，保证在比较大的频率范围内群折射率ng接近为常数，得到宽带慢光效应，评价慢光的群速度色散特性，用二阶色散系数来表示，是波数对角频率的二阶导数，由公式(2)表示：d，慢光的低色散特性以及带宽和群折射率之间的关系，用公式(3)定义一个综合参数归一化的延迟带宽积NDBP，其中，是平坦区|Δng|≤10％的平均群折射率，Δω/ω0是平坦区的归一化带宽，这一参数用于综合评价慢光系统的延迟存储能力，公式(3)为：e，具有电光效应的有机聚合物的折射率变化主要受Pockels效应的影响，折射率的变化量依赖于材料的电光系数γ33,而电光系数决定于二阶磁化率，可以表达为(4)式：f,光场局域下有机聚合物的有效二阶极化率可由(5)式表示：式中，为光子晶体波导中慢光中作用下的有效二阶极化率，为材料总体的二阶极化率，f为由于慢光传输形成的局域因子，表示为f＝(vgb/vgPC)1/2，其中，vgb是光在基底材料中的传播速度，而vgPC是光子晶体慢光波导中传播速度，因此，考虑到局域因子的作用，有效电光系数就变为f3×γ33，这样聚合物折射率随外加电压的变化关系量就应该修正为：其中γ33是聚合物的电光系数，与材料的二阶极化率χ<2>相关，npoly是填充具有电光效应的聚合物的折射率，U是外加的调制电压，d是正负电极之间的距离。优选的，步骤b中所述慢光波导装置包括二维硅片1、圆形散射元空气孔2、线缺陷3、硅片长边4和硅片短边5，在方形结构的二维硅片1的表面上沿硅片长边5的方向顺序排列刻蚀以二维硅片1中心线为对称轴的十排三角晶格结构排列的圆形空气孔2，在二维硅片1的对称轴上本该存在的一排圆形空气孔不予刻蚀，而构成线缺陷3，每排圆形空气孔在沿硅基片长边方向等间隔刻蚀十七个孔，孔间距为三角晶格常数a，圆孔半径r＝0.328a，构成圆形空气孔三角晶格结构10，在缺陷波导两侧第一排空气孔填充折射率n1＝1.74的固定折射率有机聚合物；在缺陷波导两侧第二排空气孔填充具有电光效应的有机聚合物聚苯乙烯。优选的，步骤b中定义c为光速，vg是群速度，k是沿波导方向的波数，ω是入射波或入射脉冲的中心角频率，对应的归一化频率表示为F＝ωa/2πc，归一化波数表示为K＝ka/2π，a为晶格常数。优选的，步骤e中式(4)所示折射率变化主要来自于第二排孔内填充材料的非线性特性，在光子晶体线缺陷波导中，导模的慢光传输导致光场局域，引起二阶极化率增强，从而加强材料的非线性效应，增强材料折射率的变化强度和范围，增大慢光动态控制的灵敏度和群速度与运行频率/波长的动态范围。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1.本专利技术在研究结构和材料两种因素共同影响下，提出的最优光子晶体慢光结构中散射空气孔大小一致，为波导的制备降低了难度；该最优结构，在改变填充材料时，平坦宽带慢光的运行频率和群折射率发生变化，但延迟带宽积都保持最大，也就是在不同运行频率和群折射率时，平坦慢光的宽带低色散特性总是保持最优；另外，本专利技术提出填充材料选择具有电光特性的有机聚合物，在波导两侧加上电极并外接电源，通过外部电压控制，改变填充有机聚合物的折射率，从而实现传输慢光的动态控制，并且在不同运行频率和群折射率位置，宽带慢光性能总是保持最优(即，延迟带宽积保持最大)。2.本专利技术所设计的慢光波导装置既可以获得较低的群速度，又可以获得较大的平坦带宽，获得稳定的慢光效应；在相同频段，基于基本的慢光波导结构，通过选择合适的外部电压控制，可以获得运行波长和群折射率连续变化的平坦慢光分布，同时保持宽带、低色散特性；另外，设计不同的晶格常数a，可以获得不同频段的动态可控的宽带低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态控制的光子晶体慢光的实现方法，其特征在于：所述的动态控制的光子晶体慢光的实现方法具体步骤如下：a,初始定性参数，在相同频段，基于基本的光子晶体慢光波导结构，通过外加电压，控制第二排孔内电光有机聚合物的折射率n2的变化，获得群折射率和运行波长连续变化的平坦宽带慢光分布，同时保持宽带、低色散特性；选择圆形空气孔三角晶格排列结构不同的晶格常数a，获得不同频段的宽带低色散慢光传输，根据实际所需的慢光波长，晶格常数a＝F×λ，其中，F为平坦宽带慢光的归一化频率，λ为平坦慢光的波长；b,慢光波导装置在高群折射率、低色散的条件下，具有平坦带宽的慢光效应，并且具有该特性的慢光群速度根据外加电压控制在大范围内变化，得到平坦带宽的慢光效应，群折射率ng和色散的关系由公式(1)表示：

【技术特征摘要】
1.一种动态控制的光子晶体慢光的实现方法，其特征在于：所述的动态控制的光子晶体慢光的实现方法具体步骤如下：a,初始定性参数，在相同频段，基于基本的光子晶体慢光波导结构，通过外加电压，控制第二排孔内电光有机聚合物的折射率n2的变化，获得群折射率和运行波长连续变化的平坦宽带慢光分布，同时保持宽带、低色散特性；选择圆形空气孔三角晶格排列结构不同的晶格常数a，获得不同频段的宽带低色散慢光传输，根据实际所需的慢光波长，晶格常数a＝F×λ，其中，F为平坦宽带慢光的归一化频率，λ为平坦慢光的波长；b,慢光波导装置在高群折射率、低色散的条件下，具有平坦带宽的慢光效应，并且具有该特性的慢光群速度根据外加电压控制在大范围内变化，得到平坦带宽的慢光效应，群折射率ng和色散的关系由公式(1)表示：c，所谓宽带低色散的慢光效应是指群速度ng在|Δng|≤10％的变化范围内保持稳定，对应的色散曲线F(K)保持线性变化，保证在比较大的频率范围内群折射率ng接近为常数，得到宽带慢光效应，评价慢光的群速度色散特性，用二阶色散系数来表示，是波数对频率的二阶导数，由公式(2)表示：d，慢光的低色散特性以及带宽和群折射率之间的关系，用公式(3)定义一个综合参数归一化的延迟带宽积NDBP，其中，是平坦区|Δng|≤10％的平均群折射率，Δω/ω0是平坦区的归一化带宽，这一参数用于综合评价慢光系统的延迟存储能力，公式(3)为：e，具有电光效应的有机聚合物的折射率变化主要受Pockels效应的影响，折射率的变化量依赖于材料的电光系数γ33,而电光系数决定于二阶磁化率，可以表达为(4)式：f,光场局域下有机聚合物的有效二阶极化率可由(5)式表示：

【专利技术属性】
技术研发人员：李长红，江永春，闫崇庆，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东,37