使用二氧化硅ZIPPER型光学谐振器进行光路转换应用的建议。

研究

使用二氧化硅ZIPPER型光学谐振器进行光路转换应用的建议。

实现在光辐射压力下运行的新型全光开关。

因为光有动量,所以当它撞击到材料时,会产生压力。这种压力被称为光辐射压力,但在设备研究中很少使用,因为它是一种极其微弱的力量。然而,最近微型光学谐振器技术的发展导致了光学机械学研究领域的发展,在该领域中,光辐射压力被有效地提高,以控制谐振器的结构。我们从理论上研究了一种新的基于光辐射压力的全光开关,使用的是二氧化硅拉链式光学谐振器。

如图1(a)所示,二氧化硅拉链光学谐振器由两个紧密相连的纳米束光学谐振器组成。拉链谐振器在其中心部分限制和增强光线,在两个桥接结构之间产生强大的光辐射压力。当这种光辐射压力足够大时,谐振器结构就会发生位移,两个纳米光束谐振器之间的间距就会发生变化。我们考虑在一个动态可控的定向耦合器中使用这种行为。定向耦合器是一种用于将光与靠近的两个光波导结合和分割的装置,可以通过适当改变波导之间的间距来改变光的路径(图1(b))。通过用一个拉链谐振器取代这个波导,可以实现一个通过改变波导间距与光辐射压力来操作的光路改变开关。这个由光辐射压力驱动的全光开关是世界上第一个这样的研究,我们将其命名为MOMS(微光机械系统)开关。

图1 (a)拉链腔的示意图。(b)光在定向耦合器波导中的传播示意图。

在对MOMS开关的设计和性能进行数值分析时,选择二氧化硅作为谐振器材料。由于与其他光学材料相比,二氧化硅的硬度较低,因此被认为适用于需要大结构位移的应用。控制光选择在可见光波段,信号光选择在通信光波段,利用了现有的宽波段。通过这种方式,信号光可以在不受布拉格镜造成的模式定位影响的情况下进行传播。
当谐振器结构被光辐射压力移动时,谐振频率会发生绝热变化,所以光辐射压力可以从谐振器内能U(谐振频率ω)对位移距离s的依赖性(dU/ds = ħdω/ds)计算出来。我们通过FDTD方法计算产生的光辐射压力,以确定谐振器间距变化时的谐振频率(图2(a))。我们还使用有限元方法计算了当光辐射压力作用于共振器结构时的位移。此外,用FDTD方法评估了该结构在位移前后作为定向耦合器的性能,通过与上述结果的比较,表明在输入190 mW的控制光时,可以实现消光比大于17.8 dB的光路转换(图2(b))。

图2 (a)间隙依赖性与光机械耦合率和光辐射力的关系。(b)初始状态的光传播(间隙=194纳米。消光比(ER)=17.8分贝)(上部)和变形后的光传播(s=93纳米,ER=18.2分贝)(下部)。

这项研究的结果将发表在AIP Advances第4卷第7期(2014年)。