1、1四元异质结构光子晶体的光开关功能河池学院 何小超，唐秀福，苏安，吕琳诗，黎玉婷，高英俊（红外与激光工程，2017 年 12 月）指导教师 苏安 教授 唐秀福 讲师中文摘要：构造和研究四元异质结构光子晶体(ABC) 6D(ABC)6的光传输特性，发现A、B 、C和D四种薄膜介质的物理厚度d A、d B、d C和 dD可灵敏地调节光子晶体透射峰的波长位置，实现短波和长波双通道的光开关功能，而且不同通道光开关对相同薄膜介质光学厚度的响应灵敏度不同。对于短波通道光开关，随着各薄膜介质层物理厚度d A、d B、d C和d D分别增大，光开关的效应向长波方向移动，其中光开关效应对d C的响应最敏感，对响
2、应d B次之，对d A响应最弱。对于长波通道光开关，随着d A、d B、d C和d D分别增大，光开关的效应也向长波方向移动，其中光开关效应对 dC的响应最敏感，对d D响应次之，响应d A响应最弱。四元异质结构光子晶体的这种光学传输特性，为光子晶体设计高灵敏度的新型光学开关或是滤波器件等提供参考。英文摘要：This research constructed and studied the optical transmission characteristics of heterostructure photonic crystal (ABC)6D(ABC)6, that the physic
3、al thicknesses dA, dB, dC and dD of A, B, C and D can be used to adjust the transmission peak wavelength in the heterostructure photonic, to achieve short-wave and long-wave dual-channel optical switching，and the response sensitivity are different when the optical thin films thickness be changed by
4、different dielectric medium. For short-wave channel optical switch, the transmission peak wavelengh will be increased with the thickness of dA, dB, dC and dD become thicker, the effect of optical switch to the short-wave direction, the effect on the dC response to the most sensitive, the response dB
5、 be second, the weak response to dA. For long-wave channel optical switch, with dA, dB, dC and dD are respectively increased, the transmission peak wavelength also moves to the long wave direction, the change most sensitive to the response of dC，the response to dD is the second, and the response dA
6、to the weakest. The optical transmission characteristics of quaternary heterogeneous structure photonic crystal can provide a reference for the photonic crystal design of the new optical switch or filter devices.关键词：光开关；光学滤波；异质结构；光子晶体；传输矩阵法一、引言2光子晶体是一种人工光学材料，它是由不同介电常数的薄膜介质周期性排列形成的，它最奇异也是研究者们最感兴趣的特性是
7、存在光子带隙，而且带隙结构可能通过周期性排列结构或是薄膜介质的参数来调整，于是人为剪裁和利用光频率为信息传输服务成为可能。当光频率处于光子带隙中的通带频率范围时，光就可以完全通过光子晶体，频率处于禁带范围时则被完全禁止通过光子晶体，通带和禁带的频率范围又可以通过结构周期来调节 1-12。因此，光子晶体的问世，使光可以根据人的意志进行控制，达到传输信息的目的，这也是光子晶体一直成为研究热门领域的主要原因。大量的研究成果表明，通过合理构造光子晶体结构即可有效操纵和利用光子晶体的光学传输特性，这对于设计高品质、高性能的光学滤波器、光学开关、光学波导和激光器等，有积极的实际应用价值 1-12。在对光子
8、晶体光传输特性的调制上，一般是通过调节排列方式、排列周期数、介质折射率、介质的物理厚度或光学厚度，或是通过设置不同缺陷等来完成，对于异质结构 9-12光子晶体，还可以通过多样性地调节介质本身排列周期数来完成。因为异质结构光子晶体不仅存在各种薄膜介质的合理周期排列，而且介质薄膜自身也存在周期性排列，这将使调制方式更加灵活。相比于标准周期二元光子晶体、三元结构光子晶体模型，四元异质结构光子晶体模型的介质元数更多，则其光学特性的调制方式也更加广泛和灵活，这对实际设计的参考作用也更加有意义，而且四元结构光子晶体目前的研究报道还不多。基于这个思路，本文在合理匹配参数构造四元异质结构光子晶体模型的基础上，
9、通过计算机计算模拟仿真的方式，找出该模型的光学开关特性及其调制规律，为高灵敏度的光学开关的理论研究和实际设计提供理论依据。二、研究方法和模型鉴于研究的主要任务是计算模拟四元异质结构光子晶体的透射能带谱，所以研究方法采用成熟且直观的传输矩阵法1-4,6-8，传输矩阵法已经使用得很广泛，在此不再详述。构造和研究的一维四元异质结构光子晶体模型为(ABC) mDn(ABC)m，其中 A、B、C 和 D 分别为氟化镁、玻璃、砷化镓和碲化铅介质薄膜，各薄膜介质层相应的折射率和物理厚度分别为：nA=1.38，d A 120nm，n B=1.8，d B=200nm，n C=3.25，d C=400nm，n D
10、=4.1，d D=580nm。m、n 分别是(ABC) 单元和 D 介质薄膜自身的排列周期数，在研究和计算中可取正整数。31600 1700 1800 1900 2000 210000.51/nm1 (ABC)6D(CBA)6Fig.1 Tranmission spectrum forphotonic crystals(ABC)6D(CBA)6Transmittance00.51(a) dA=120nm00.51(b) dA=135nm00.51(c) dA=150nmTransmittance00.51(d) dA=165nm1600 1700 1800 1900 2000 210000.5
11、1 (e) dA=180nm/nm2 dA(ABC)6D(CBA)6 Fig.2 Tranmission spectrum for photoniccrystals(ABC)6D(CBA)6 versus dA三、计算结果与分析（一）光子晶体(ABC) 6D(ABC)6的透射谱固定四元异质结构光子晶体(ABC) mDn(ABC)m模型中(ABC)单元和D自身的排列周期数m=6、n=1，其它参数不变，则可以通过科学计算软件MATALB编程计算模拟，可得光子晶体 (ABC)6D (ABC)6透射谱，如图1所示。从图1可见，光子晶体的透射谱在1625nm 2096nm波长范围内出现了一条很宽的禁带，
12、禁带中的1742nm和1954nm波长位置出现了两条透射率为100%的分立共振透射峰，而且透射峰的带宽很窄，则所构造的四元异质结构光子晶体可以实现双通道光学滤波功能。如果以共振透射峰的半高全宽（FWHM）计量滤波通道的带宽 4,8，则处于短波方向1742nm 位置和处于长波方向1954nm位置的滤波通道的带宽分别为 0.758nm和1.241nm。即该四元异质结构光子晶体可实现品质很高的双通道光学滤波效果。（二）光学开关功能的实现异质结构光子晶体 (ABC)6D (ABC)6由A、B、C 、D 四种介质薄膜周期排列而成，当这些介质薄膜的参数发生变化时，光子晶体的光传输特性将随之改变。在所有参数
13、中，介质薄膜的物理厚度是最重要也是最基础的参数。于是，首先以A薄膜介质的物理厚度为研究对象，取 A介质薄膜的物理厚度dA=120nm、135nm、150nm、165nm 、180nm 依次递增，固定其他参数不变，则可计算模拟出d A对光子晶体 (ABC)6D(ABC)6透射谱的影响情况，结果如图2所示。由图2可见，随着d A增大，无底是短波通道还是长波通道，均随禁带一起向长波方向移动，即左右光通道均出现了明显的红移现象。若以 L和 R分别表示左右光通道中心所处的波长位置，则当4dA=120nm、135nm、150nm、165nm 、180nm 时，L=1742nm、1753nm、1764nm
14、、1775nm、1787nm， R=1954nm、1966nm、1978nm 、1989nm、2000nm。可见左右光通道所处的波长位置对A 介质薄膜的物理厚度变化响应比较灵敏，这种特性可用于光学开关的设计和制作。为更加形象的呈现光学开关功能的实现，进一步细化A 介质薄膜物理厚度变化，取dA=120nm、120.5nm、121nm、121.5nm 和122nm 依次递增，并把各物理厚度对应的左右光通道的透射谱分别绘制于同一个示图中，如图3所示。图3中、和曲线分别对应dA=120nm、120.5nm、121nm、121.5nm 和122nm 时左右光通道的光传输效果（透射峰） 。51741 17
15、42 1743 1744 174500.51(a)left channelTransmittance1953 1954 1955 1956 1957 195800.51(b)right channel/nm 3 Fig.3 Possessing the optical switch functionTransmittance 0 20 40 60 8017501800185019001950(a) left channeld/nmL0 20 40 60 802000205021002150(b) right channelRd/nm4 dFig.4 The optical switch ver
16、sus dLdALdDLdBLdCRdDRdC RdARdB从图3可见，当d A增大时，无论是左光通道还是右光通道均向长波方向移动，则光通道（透射峰）原位置处的透射率急剧下降。图中竖直的虚线对应光通道原位置，当dA=120nm、120.5nm、121nm、121.5nm 和122nm 时，左光通道原位置的透射率分别100%、 52.73%、22.60% 、11.53%和6.71%依次不断下降，右光通道原位置的透射率分别为100%、 73.40%、37.30% 、20.50%和12.43% 依次不断下降。显然，当d A增大到一定程度数值时，光通道原位置处的光透射率将下降到零，即A 介质薄膜的物理
17、厚度对光子晶体光传输特性的调制规律，很好地实现了光学开关的功能。但计算得到的数值显示，左右光通道对d A的响应速度是不一样的，很明显短波通道响应速度快于长波通道。计算还发现，左右光通道对B、 C、D 介质薄膜的物理厚度d B、d C和d D变化响应也非常灵敏，而且响应的速度不一样。（三）光学开关对各介质层物理厚度的响应进一步地，可计算并直观的呈现光子晶体左右通道光学开关对各介质薄膜物理厚度变化的响应情况：以各介质薄膜的物理厚度d A、 dB、d C和d D增加量 dA= dB= dC= dD=0nm、 10nm、20nm、30nm 、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm 和90nm
18、为横坐标，对应各介质薄膜物理厚度时的左右通道光学开关所处波长位置为纵坐标，分别作左右通道光学开关所处的波长位置随各介质薄膜物理厚度变化的响应曲线d，计算结果如图4所示。从图 4 可见，随着各薄膜介质层物理厚度增大，光子晶体左右光通道光学开关所处位置均向长波方6向移动，但在增加相同物理厚度值情况下，左右光通道光学开关向长波方向红移的速度不一样，而且同一光通道在增加相同物理厚度值情况下红移的速度也不一样。以 L 表示左光通道光学开关所处的波长位置，随着 dA、 dB、 dC 和 dD 的等量增大，左通道光学开关对 dC 的响应最灵敏，对 dB 响应速度次之，对 dA 响应速度最弱。 dC= dB=
19、 dA=0nm、10nm、30nm、50nm、70nm 、90nm 时，左光通道光学开关所处的波长位置 LC=1742 nm、1766 nm、1814 nm、1862 nm、1910 nm、1958 nm， LB=1742 nm、1752 nm、1773 nm、 1796 nm、1823 nm、1851 nm， LA=1742nm、1749 nm、1764 nm、1779 nm、1795 nm、1810 nm，如图 4（a ）中的 LdC、 LdB、 LdA 曲线所示。以 R 表示右光通道光学开关所处的波长位置，随着 dA、 dB、 dC 和 dD 的等量增大，右通道光学开关亦对 dC 的响应
20、最灵敏，对 dD 响应速度次之，对 dA 响应速度最弱。 dC= dD= dA=0nm、10nm、30nm 、50nm 、70nm、90nm 时，右通道光学开关所处的波长位置RC=1954 nm、1982 nm、2037 nm、2092 nm、2147 nm、2203 nm， RD=1954 nm、1965 nm、1985 nm、2004 nm、2022 nm、2038 nm， RA=1954 nm、1963 nm、1978 nm、1993 nm、2007 nm、2022 nm，如图 4（b）中的 RdC、 RdD、 RdA 曲线所示。对比图 4（a）和图 4（b）还看到，无论是左通道还是右通
21、道光学开关，均是对 C 介质薄膜的物理厚度变化响应最灵敏，而对 A 介质薄膜的物理厚度变化响应最弱。这种调制机制对光学开关的设计具有指导意义。综合可见，构造的四元异质结构光子晶体可实现高灵敏度的双通道光学开关功能，而且双通道光学开关对各薄膜介质层的物理厚度变化大小响应灵敏，但左右通道光学开关对不同介质层物理厚度变化响应速度不一样。四、结论所构造的四元异质结构光子晶体可实现光学开关功能，而且其光学开关功能对光子晶体各薄膜介质的物理厚度变化灵敏，但不同通道光学开关对各薄膜介质层物理厚度变化响应速度不同。（1）无论是短波通道光学开关还是长波通道光学开关，开关效应对C介质薄膜的物理厚度变化响应最敏感，
22、对A介质薄膜的物理厚度变化响应速度最慢。（2）对处于短波方向的左通道光学开关，开关效应对 dC的响应最灵敏，对 dB响应速度次之，之7后是 dD，而对 dA响应速度最慢。（3）对处于长波方向的右通道光学开关，开关效应对 dC的响应最灵敏，对 dD响应速度次之，之后是 dB，对 dA响应速度最弱。四元异质结构光子晶体所体现的这种光学开关特性及调制规律，对新型双通道光学开关等的研究和设计等提供理论指导。参考文献1苏安，高英俊. 双重势垒一维光子晶体量子阱的光传输特性研究J.物理学报，2012，61(23)：234208.2韦吉爵，苏安，高英俊，等. 缺陷对光子晶体透射能带谱的简并效应研究J.激光技
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