Vorschlag für Anwendungen zur Umwandlung optischer Pfade unter Verwendung optischer Resonatoren vom ZIPPER-Typ aus Siliziumdioxid.
Forschung
Vorschlag für Anwendungen zur Umwandlung optischer Pfade unter Verwendung optischer Resonatoren vom ZIPPER-Typ aus Siliziumdioxid.
Auf dem Weg zu einem neuen volloptischen Schalter, der unter optischem Strahlungsdruck arbeitet.
Da Licht einen Impuls hat, erzeugt es Druck, wenn es auf ein Material trifft. Dieser Druck wird als optischer Strahlungsdruck bezeichnet, wurde aber in der Geräteforschung nur selten verwendet, da es sich um eine extrem schwache Kraft handelt. Jüngste Entwicklungen in der mikrooptischen Resonatortechnologie haben jedoch zur Entwicklung des Forschungsgebiets der Optomechanik geführt, in dem der optische Strahlungsdruck effizient erhöht wird, um die Resonatorstruktur zu steuern. Wir haben einen neuen volloptischen Schalter theoretisch untersucht, der auf optischem Strahlungsdruck basiert und einen optischen Resonator vom Typ Siliziumdioxid-Reißverschluss verwendet.
Der optische Siliziumdioxid-Reißverschluss-Resonator besteht aus zwei nah beieinander liegenden optischen Nanostrahl-Resonatoren, wie in Abb. 1 (a) gezeigt. Der Zipper-Resonator begrenzt und verstärkt das Licht in seinem Zentrum, was einen starken optischen Strahlungsdruck zwischen den beiden Brückenstrukturen erzeugt. Wenn dieser optische Strahlungsdruck stark genug ist, wird die Resonatorstruktur verschoben und der Abstand zwischen den beiden Nanostrahlresonatoren verändert sich. Wir haben erwogen, dieses Verhalten in einem dynamisch steuerbaren Richtkoppler zu nutzen. Ein Richtkoppler ist eine Vorrichtung zur Kombination und Aufteilung von Licht mit zwei nahe beieinander liegenden Lichtwellenleitern und kann dazu verwendet werden, den Weg des Lichts zu ändern, indem man den Abstand zwischen den Wellenleitern entsprechend verändert (Abb. 1 (b)). Durch Ersetzen dieses Wellenleiters durch einen Reißverschlussresonator kann ein optischer Pfadwechselschalter realisiert werden, der durch Änderung des Wellenleiterabstands mit optischem Strahlungsdruck arbeitet. Dieser rein optische Schalter, der durch den Druck optischer Strahlung angetrieben wird, ist die erste Studie dieser Art in der Welt, und wir haben ihn MOMS-Schalter (Micro Opto-Mechanical System) genannt.
Abb. 1 (a) Schematische Darstellung des Reißverschluss-Hohlraums.(b) Schematische Darstellung der Lichtausbreitung im Richtkoppler-Wellenleiter.
Für die numerische Analyse des Designs und der Leistung des MOMS-Schalters wurde Siliziumdioxid als Resonatormaterial gewählt. Siliziumdioxid gilt aufgrund seiner im Vergleich zu anderen optischen Materialien geringen Steifigkeit als geeignet für Anwendungen, die große strukturelle Verlagerungen erfordern. Das Kontrolllicht wurde im Bereich des sichtbaren Lichts und das Signallicht im Bereich des Kommunikationslichts gewählt, um den großen verfügbaren Wellenlängenbereich zu nutzen. Auf diese Weise kann sich das Signallicht ausbreiten, ohne von der Modenlokalisierung durch den Bragg-Spiegel beeinflusst zu werden.
Wenn die Resonatorstruktur durch optischen Strahlungsdruck bewegt wird, ändert sich die Resonanzfrequenz adiabatisch, so dass sich der optische Strahlungsdruck aus der Abhängigkeit der inneren Energie U (Resonanzfrequenz ω) des Resonators vom Verschiebungsabstand s (dU/ds = ħdω/ds) berechnen lässt. Wir haben den mit der FDTD-Methode erzeugten optischen Strahlungsdruck berechnet, um die Resonanzfrequenz zu bestimmen, wenn der Resonatorabstand variiert wird (Abb. 2 (a)). Mit der Finite-Elemente-Methode haben wir auch die Verschiebung der Resonatorstruktur berechnet, wenn der optische Strahlungsdruck auf sie einwirkt. Darüber hinaus wurde die Leistung der Struktur als Richtkoppler vor und nach der Verschiebung mit der FDTD-Methode bewertet, und durch Vergleich mit den oben genannten Ergebnissen wurde gezeigt, dass eine optische Pfadkonversion mit einem großen Extinktionsverhältnis von mehr als 17,8 dB bei einem Eingang von 190 mW Steuerlicht möglich war (Abb. 2 (b)).
Abb. 2 (a) Abhängigkeit des Spaltes von der optomechanischen Kopplungsrate und der optischen Strahlungskraft.(b) Lichtausbreitung im Ausgangszustand (Spalt = 194 nm), Extinktionsverhältnis (ER) = 17,8 dB) (oben) und Lichtausbreitung nach Verformung (s = 93 nm, ER = 18,2 dB) (unten).
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