燕山大学里仁学 基于光子晶体光学特性的光开关系统设计开题报告

燕山大学

本科毕业设计（论文）开题报告

课题名称：基于光子晶体光学特性的光开关系统设计学院（系）：里仁学院电气工程系

年级专业：10级测控技术与仪器

学生姓名：

指导教师：

完成日期：2014-3-21

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

1、选题的依据和意义

近年来，由于3G 建设、宽带提速、行业信息化的拉动，光网络正在快速发展，光通讯技术也在各接入网发挥着核心作用,作为光信息处理技术中十分关键的器件，光开关是利用光子与物质的相互作用来实现对光的传输进行“开”与“关”的控制作用。光开关已经被人们研究30多年，一直是科学家关注的焦点，但是目前的光开关在通信领域已经不能满足人们的需求。

随着密集波分复用和时分复用技术的发展，在网络节点上高速有效的处理海量信号已经成为了一个通信领域非常关键的问题。就目前的光开关发展现状而言，按照光束在开关中传输的媒质来分类，可分为自由空间型和波导型光开关。根据光传送网中各种不同交换原理和实现技术，可分为机械光开关、MEMS 光开关、热光开关、液晶光开关、电光开关等。自由空间型光开关主要是利用各种透射镜、反射镜和棱镜等折射镜的移动或旋转来进行开关动作。波导型光开关主要是利用波导的热光、电光或磁光等效应来改变波导的性质，从而实现其开关功能。

上述几种传统结构的光开关因涉及热、声、机械等因素的影响，热光、声光、机械开关只能工作在ms量级，电光开关也只能工作在ns量级。就目前光通信发展的要求，传统光开关通过其他方面的性能优化尚可满足要求，但是对下一代网络中光分组交换的各项技术要求却无法达到；各种新型全光开关例如半导体光放大器开关、非线性级联定向耦合器光开关、非线性光纤环路镜光开关等，虽然理论和材料都有了极大突破，但也因为各种原因距离大规模商用存在很大距离。因此研究新的工作机理的高速光开关显得尤为重要。相比其他形式的光开关，光子晶体光开关作为新型的光开关器件，在光波在开和关两个状态下的透射率相差级别、工作窗口的可控性、超快响应时间、能量损耗低、安全性等具有非常大的优势[1]。

2、国内外研究动态

1）国外研究现状

奥地利维也纳理工大学科学家只用一个铷原子，实现了光在两根玻璃纤维光缆之间的开关互换。这种单原子开关有望将量子现象用于信息与通讯技术。研究小组利用了一种“瓶子共振器”，瓶子凸出的玻璃表面可以捕获光，使光在其中循环传播[2]。

光传输系统供应商MRV基于一定标准的定时和同步能力，通过增加先进的的特性更新了其光开关Carrier Ethernet 2.0,能够让光开关在基3G的Carrier Etherne和4G/LTE移动回程应用中有更好的服务分配。尤其是光开关的OS940-MBH和OS906G-M-MBH模型，如今能够支持精密时间协议(PTP) IEEE 1588v2和同步以太网(SyncE)。这些新的特性让光开头使用者在提供移动回程时，使用针对1-Gbps和10-Gbps Layer 2 Carrier Ethernet 2.0和IP服务聚合的确保的服务水平协议(SLA)。MRV称，新的特点能让光开关服务支持全封装和混合芯片封装回程应用。使用新的光开关，用户将从3GPP 的LTE和LTE-A慢慢发展，同步也就变得更具挑战性了。新的光开关模型能支持-40°C到+65°C的温度下,在不受控制的温度环境下或者偏远信号塔下进行操作[3]。

EXFOInc宣布与DiCon推出联合开发的MXS-9100矩阵光开关，该产品由EXFO独家供应。DiConFiberoptics的MXS-9100MEMSMxN矩阵光开关针对EXFO的系统和软件控件进行了优化，可让任何M输入光纤完全无障碍地与任何N输出光纤相连[4]。

荷兰特温特大学和法国纳米科学与低温工程研究所的科学家开发出了一种半导体平面微腔开关，实现了1.4THz的重复率开启和关闭操作，速率提高了350倍，研究人员在砷化镓和砷化铝层中构造了空腔，并使用1284.1 nm的探测光测量其谐振频率。实验中，研究小组使用两个由近红外钛宝石激光抽运的光参量放大器，将探测光束和触发光束射入微腔中。触发光束产生电克尔效应，在亚皮秒时间尺度上，改变了空腔材料的折射率。研究人员将触发光束的波长延长到2400nm，以减少空腔内的双光子吸收。据估计，空腔只吸收了百万分之一的入射光。空腔存储时间大约为300fs，决定了开关速率的基本“速率限制”，这种现象不依赖于微腔的几何结构。除了超快片上光子调制，这种新型开关可能会应用于空腔量子电动力学的基础研究，并且，有可能大大提高未来通信系统甚至量子计算机的运行速率[5]。

2012年,Fei等在填充了聚苯乙烯的半导体介质柱光子晶体中利用光子

晶体波导与微腔的边耦合实现了全光开关,在80GW/cm2的抽运光下,微腔缺陷模迁移15nm[6]。

2012年美国联合量子研究所的科学家最新研制出迄今能耗最低的一款全光开关。新开关能引导光束从一个方向到达另一个方向，整个过程只需耗费120ps(120万亿分之一秒)，而且能耗仅为1×10－18J，其能耗仅为此前日本研制出的全光开关的1/5，是其他全光开关的1/100)[7]。

新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University, NTU)的研究团队利用纳米级的光子晶体，首度制造出操作范围为近红外的全光开关，可望在通讯和消费性电子仪器中找到许多应用[8]。

2）国内研究现状

2007年,冯金顺等用非线性材料作为缺陷层引入光子晶体,对于位于缺陷态附近极窄频率范围内的入射光,通过光子晶体带隙中缺陷态的移动就可以改变其透射率,实现光开关的功能[9]

北京大学龚旗煌教授、胡小永副教授和他们学生在可见-近红外波段实现微纳集成全光开关的基础上，进一步在光通讯波段实现了低功率、超快速光子晶体全光开关原型器件。论文通过将Bragg共振增强非线性光学效应与强量子局域效应相结合，制备出在光通讯波段具有三阶非线性光学系数和超快时间响应的复合材料，突破了介观光子学器件研究在材料方面所受的限制;利用该复合材料实现了低功率、超快速光子晶体全光开关器件原型：将阈值光功率降低了3个数量级，阈值光强从GW/cm2的量级降低到9MW/cm2,接近实用化的要求;同时保持了24.2ps的超快速时间响应和80%的高开关效率。在此基础上，他们还制备出多组分纳米复合材料，利用缺陷模式的耦合实现了皮秒时间响应的低功率光子晶体全光开关器件原型[10]。

中国科学院物理研究所光物理实验室/北京凝聚态物理国家实验室（筹）张道中和李志远研究员领导的研究团队2008年利用脉宽为6飞秒的脉冲激光驱动聚苯乙烯非线性光子晶体的带隙移动，实现了响应速度为10飞秒的光开关。2011年提出了双路波导－双共振腔的方案，通过控制微腔的共振频率和泵浦光的功率，可实现各种全光逻辑门器件[11]。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题

一）研究的基本内容

1、熟悉光子晶体基础理论及其光谱特性；

光子晶体是由两种或者两种以上的具有不同介电函数的材料在空间周期性排列所形成的一种人工设计的光子学材料。按照介电材料分布的空间周期性，光子晶体可以分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。当电磁波的频率落入光子带隙中时，由于光子晶体强烈的布拉格散射效应，电磁波将被光子晶体全部反射回来而不能在光子晶体中传播。光子晶体的光子带隙通常出现在布里渊区的边界上，它不仅与光子的能量有关，还与光子的传播方向有关。如果光子晶体在空间的所有传播方向上都有带隙，并且每个方向上的带隙都能相互重叠，则称之为完全带隙；如果光子晶体在空间不同方向上的带隙并不完全重叠，或者只在特定的方向上具有带隙，则称之为不完全带隙。如果在半导体材料中引入缺陷，会在能隙中出现相应的缺陷能级；类似地，如果在完整的光子晶体中引入缺陷，同样会在光子带隙中产生相应的缺陷模式，并影响光子晶体的能带结构。

2、设计谐振腔结构；

光子晶体谐振腔腔结构是光器件的核心，衡量该谐振腔好坏的一个重要指标就是谐振腔的品质因素。高品质因子的光子晶体谐振腔可以在非常小的体积里对光场产生很强的限制。

3、通过软件学习，结构仿真与分析；

对光子晶体光开关的设计建模、仿真计算、性能分析主要是建立在对光子晶体的理论分析和数值计算的基础上，而由于光子晶体结构的复杂性，使人们难以推导出其带隙和场分布函数的解析解，只能利用计算机进行数值求解。

二）需要解决的主要问题

1、光子晶体光开关的实现方法

光子晶体[12-13]是一种折射率周期性变化的人造光学材料，折射率变化的

周期与光波长有着相同的量级。当光在这种介质中传播时，某些频率范围的光会受到抑制，形成光子禁带，从而可以有效地控制光子的传输状态，成为实现光开关等集成光子器件的新型基础材料。如果在光子晶体中引入缺陷，就会在带隙中产生缺陷态；引入介电常数可控的非线性材料就可以调节缺陷态的位置。这些特性可以用来制作光开关。

2、谐振腔结构的设计

目前的研究结果表明，利用谐振腔来实现的光子晶体耦合器件是一种能很好地实现动态开关的结构。能改变这种器件的关键部分——谐振腔的参数来简便地改变器件的光学特性，就可以实现对信号光的动态控制。在二维光子晶体中引入线缺陷形成波导, 引入点缺陷形成谐振腔。光子晶体波导和谐振腔的合理耦合能够获得性能优越的缺陷模, 可制作各种性能优越的光子器件, 如光调制器、光开关等。

3、研究光子晶体的理论分析和计算方法

光子晶体的理论研究是为光子晶体器件的设计提供理论指导，可以避免试验的盲目性，为今后的制造打下基础。目前光子晶体中的原理最根本上是从目前的电磁理论出发，在介电常数呈周期性分布的介质中求解Maxwell方程组。

三、研究步骤、方法及措施

1、实现光开关的原理：

1)光开关的定义

光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。

2)典型的光开关设计方法对比

机械式光开关

传统机械光开关的工作原理：通过热、静电等动力，旋转微反射镜，将光直接送到或反射到输出端。特点是开关速度比较慢、性价比好，在很多领域有市场前景，但体积大、不易规模集成的缺点限制了其在未来光通信领域

的应用。在此基础上，近几年发展很快的是MOEMS光开关，它是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点。插入损耗低；隔离度高；不受偏振和波长影响；但开关时间长(ms)，重复性较差。

2 电光开关

电光开关的原理一般是利用材料的电光效应或电吸收效应，在电场作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路转变。电光开关是利用电光效应达到改变波导材料的折射率而实现光的开关，其材料包括泥酸锂(LiNb03)、半导体材料和有机聚合物材料。电光开关的主要优点是开关速度快、集成方便，是未来光交换技术中需要的高速器件，不足的是高的偏振相关损耗和高的串扰。此外，它们对电漂移敏感，一般需要高的工作电压。此外，电光开关是非锁定形的，这限制它们在网络保护和重组方面的应用，高的生产成本也妨碍广泛的商用。电光开关结构类型与热光的相似。

3 热光开关

热光开关和电光开关的结构可以是相同的，但是产生开光效应的机理不同。这里的热光效应是指通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在介质传输的折射率和相位发生改变的物理效应。热开关主要利用加热波导，改变光波导的折射率，引起主波导与需要的分支波导间的光耦合，从而实现光开／关器件。因为热光开关是由分支波导(或分支波导阵列)与其上的薄膜加热器构成，光的开与关由淀积在薄膜上的加热器控制。当电流通过加热器时，便在波导分支区域产生横向热梯度，改变波导折射率，这种改变引起主波导与需要的分支波导间的光耦合。这类光开关目前主要是利用Si片。或有机聚合物制成。这种开关具有体积小、成本低的优点：缺点上的Si0

2

是串扰大、消光比低、功耗大，并需要适当的散热。热光开关主要有MZI 型、Y分支型、x结型和组合型等结构类型。

4 声光开关

声光效应是指声波通过材料产生机械应变，引起材料的折射率周期性变化，形成布拉格光栅，衍射一定波长的输入光的现象。利用声致光栅使光偏转做成光开关。声光开关是通过超声波使材料(如锗等)的折射率随声波的强度和频率而变化，从而控制光线的偏转，交换速度从500ns到10ps由于没有机械的运动部分，可靠性比较高。对一lx2开关，插入损耗为2.5dB，但缺点是成本太高，不利于实际应用。

以上这些光开关各有优点，但是都不能很好的满足未来全光通信的要求。电光效应虽然响应速度快，但是由于需要外加电源，能耗较大。在这点上最近出现的光控开关或者说全光开关优势明显。它直接以光强来控制介质折射率的调制，省去了中间的转换过程，响应时间大大提高。

3)用光子晶体实现光开关

（l）通过光子带隙迁移实现光开关。

对于三阶非线性光子晶体，如果非线性介质具有正的三阶非线性折射率，可以选择探测光的波长位于光子带隙的短波带边，开始时探测光不能通过光子晶体。选择泵浦光的波长位于光子晶体的导带，并且远离光子带隙。依据三阶非线性光学Kerr效应，非线性介质的折射率与泵浦光强成正比关系。在泵浦光的作用下，非线性材料的折射率增大，使得光子晶体的有效折射率增加，光子带隙向长波方向移动。此时，探测光位于光子晶体的导带，能够通过光子晶体。同样，如果非线性介质具有负的三阶非线性系数，可以选择探测光位于光子带隙的长波带边，开始时探测光不能通过光子晶体，但是在泵浦光的作用下，非线性材料的折射率减小，使得光子晶体的有效折射率变小，光子带隙会向短波方向移动，这就导致探测光位于光子晶体的导带，可以通过光子晶体。这样，通过泵浦光的激发作用，使光子带隙发生迁移，从而实现了对探测光传输过程的开、关控制作用。

（2）通过缺陷模式迁移实现光开关。

根据光子晶体的光子局域理论，如果在光子晶体中引入缺陷，该缺陷将支持一个谐振的电磁场模式，在光子带隙中出现相应的缺陷态。选择合适的

缺陷结构和参数，可以使缺陷模式具有很高的透过率。选择泵浦光位于光子晶体的导带，且远离光子带隙。选择探测光的波长位于缺陷模的中心波长，开始时探测光能够通过光子晶体。在泵浦光的作用下，由于三阶非线性光学Kerr效应，光子带隙发生移动，相应地缺陷模式的中心波长也发生改变，使得缺陷模式的位置发生移动，探测光的波长远离缺陷模式的中心并落入光子带隙中，探测光就被光子晶体全部反射回来而不能通过光子晶体。这样，利用泵浦光的激发作用，使缺陷模式发生迁移，可以实现光开关效应。

2、研究光子晶体的理论分析和计算方法与仿真。

研究光子晶体的理论分析和计算方法主要有：平面波展开法、有限时域差分法、传输矩阵法、有限元法、龙格库塔数值模拟法、平均场分析法、格林函数法、Order-N法、多重散射理论法 [14]等。

目前应用最广泛的是平面波展开法，根据光子晶体的空间周期性的结构特征，用Brillouin 定理及Fourier变换将电磁场在变换到倒格矢空间，然后再展开成平面波叠加的形式。并且可以求出光子晶体的色散。平面波算法理解容易，但是计算量大。采用平面波方法处理杂质和耗散体系时则要用，需要很大数目的平面波，并且计算量正比于所用波数的立方，会因为计算能力不足而得不出精确解。如果介电常数是非恒定量，随频率的变化而变化的，有可能在展开中出现发散项导致无法求解。

目前所使用的仿真软件有两种：

1)MPB釆用Scheme语言进行结构描述,用于分析周期性介电结构的禁带特性。它基于PWE进行仿真计算。在对光子晶体进行禁带计算时,依据周期性特点,在倒格式空间将波导方程展开为平面波的形式,这样就将Maxwell转化成本征方程的求解问题,最终就可以得到本征频率。传统的频域方法要从低能级计算到高能级,这样就使得低能级能带在布里渊区发生多次折叠,要想得到更多的能带结构,就需要计算更多的能带,从而耗费了大量精力。MPB在算法上做了部分改进,解决了这一问题。

2) MEEP同样也是采用Scheme语言进行结构描述,运用FDTD作为数值方法。主要用来计算有限波导结构范围内的脉冲传输特性,软件本身提供了:金属边界条件,布洛赫周期性边界条件和完美吸收边界条件[15]。

3、设计谐振腔结构。

在非线性光子晶体中引入一个线缺陷，就能构成一个直波导。频率位于光子带隙中的光束就能在这个波导中传输[16]。在波导旁边引入一个点缺陷就构成了一个微腔，微腔有自己固有的谐振频率。设计适当的微腔和波导结构，使得它们之间的谐振频率有一小的失谐。入射波导的光束在波导中传输，当光强较弱时，波导中的导波模与微腔中的谐振模之间的耦合很弱，光能量能够沿着值波导通过光子晶体。当入射光能量增强时，由于三阶Kerr效应而导致的光子晶体有效折射率的改变，使得微腔的谐振频率与导波模逐渐的靠近。此时波导和微腔耦合作用逐渐的加强，导波模的能量逐渐的传给微腔的谐振模。当入射的光束能量超过一定的阈值时导波模式的能量完全传递给微腔的谐振模式，这样光束就不能通过光子晶体[17]。

4、绘制图纸，撰写论文。

四、研究工作进度

第1-4周——资料搜集，基础理论学习。

根据毕业设计的题目要求，阅读光子晶体光开关方面的文献，对其组成部分、体系结构、特点、产生背景、应用领域等有一个大体了解。针对光子晶体光开关的研究方向进一步查阅资料，确定研究对象。

第5-8周——方案论证，建立模型

鉴于前四周的准备工作，熟悉光子晶体光开关的设计的基本思想、具体步骤，分析比较其优点和不足，并学习一些计算方法。设计相关方案，归纳其主要特性和不足，以及需要解决的主要问题等，准备中级检查。

第9-11周——结构设计，软件学习。

结合相关知识，设计相关结构，并对对光子晶体光开关进一步分析研究，找出解决各种现存问题的方法并从理论上给出证明，以达到运用的优化，学习相关软件，为计算机仿真实验做准备。

第12-15周——仿真调试，撰写论文。

设计相关软件，将理论上的基本原理转换成能够识别的语言代码，实现仿真，从而能够尽可能的进行仿真，以对其不足提出改进。撰写论文，完成收尾。

第16-17周——绘制图纸，准备答辩。

总结前十五周所做的工作，按照规范要求撰写毕业设计论文，为答辩做准备。

五、主要参考文献

[1] 肖昆辉.多量子点缺陷层光子晶体全光开关研究[D].武汉：华中科技大

学 2011

[2] 常丽君.科学家研制出单原子光开关系统[N].科技日报2013-11-30 (2)

[3] 佚名.MRV为光开关增加了先进的定时和同步性[OL].讯石光通讯咨询

网2013-06-26

[4] 佚名.EXFO宣布推出与DiCon联合开发的MXS-9100矩阵光开关[OL].

自动化新闻网2013-03-16

[5] Santucci S C. Propriétés dynamiques de l'eau et de la solution LiCl-6H2O,

éetudiées par diffusion inélastique du rayonnement synchrotron et de la lumière visible[D]. Université Joseph-Fourier-Grenoble I, 2010.

[6] Jian-Wei Z, Jing-Qiu L, Zhong-Zhu L, et al. Tunable two-dimensional photonic crystal cavity all-optical switching infiltrated with liquid-crystal[J]. 2013.

[7]佚名.美国科学家研制出迄今为止能耗最低的全光开关[N].农业工程技

术(新能源产业) 2012(5)

[8] 佚名超快光子晶体全光开关登场[OL].光电新闻网2006-12-27

[9] Katouf R,KomikadoT,Itoh M,et al.Ultra一fast oPtieal switches using l

一 D Polylneric Photoni ccrystals[J].Photonies and Nanostructures一

Fundamentalsa nd APPlications.,2007,3(2):116一119

[10]龚旗煌, 胡小永. 超快速光子晶体全光开关研究[J]. 北京大学学报: 自然科学版, 2006, 42(1): 11-17.

[11]Alex.非线性光子晶体超快光开关最新进展[OL]OFweek激光网

2014-02-27

[12].Yablonovitch E.Inhibited spontaneous emission in solid-state physica and

electronics[J].Phys.Rev.Lett.,1987,58(20):2059-2061.

[13].Johns S.Strong localization of photons in certain disordered dielectric

super-lattice[J].PHYS.Rev.lett.,1987,58(23):2486-2489.

[14] 朱桂新.光子晶体波导的耦合特性及其应用[D] 南昌：南昌大学 2008

[15] M. Ibsen, M. K. Durkin, M. J. Cole, et al., Sinc-sampled fiber bragg gratings for identical multiple wavelength operation. IEEE Photon. Technol. Lett., 1998, 10: 842-844.

[16] 吴耀德.光子晶体缺陷模特性与应用研究[D] 武汉：华中科技大学2011

[17] 周丁.基于光子晶体波导的光开关的研究[D] 武汉:华中科技大学2007

六、指导教师意见

指导教师签字：

年月日

七、系级教学单位审核意见：

审查结果：□ 通过□ 完善后通过□ 未通过

负责人签字：

年月日