使用二氧化矽 ZIPPER 型光學諧振器進行光路轉換應用的提案。
研究
使用二氧化矽 ZIPPER 型光學諧振器進行光路轉換應用的提案。
邁向在光輻射壓力下運作的新型全光學開關。
由於光具有動量,因此當光擊中材料時會產生壓力。這種壓力稱為光輻射壓力,但由於它是一種極弱的力,因此很少用於裝置研究。然而,近來微光諧振器技術的發展帶動了光機械研究領域的發展,即有效地增加光輻射壓力來控制諧振器結構。我們利用二氧化矽拉鍊式光學諧振器,理論上研究了一種基於光輻射壓力的新型全光學開關。
如圖 1 (a)所示,二氧化矽拉鍊式光學諧振器由兩個靠近的奈米光束光學諧振器組成。拉鍊式諧振器在其中心位置限制並增強了光,這在兩個橋接結構之間產生了強大的光輻射壓力。當這個光輻射壓力足夠強時,諧振器結構就會發生位移,兩個奈米光束諧振器之間的間距就會改變。我們考慮將這種行為用於動態可控的定向耦合器中。方向耦合器是一種用於結合和分割光的裝置,其兩個光波導非常接近,可透過適當地改變波導之間的間距來改變光的路徑 (圖 1 (b))。以拉鍊式諧振器取代這個波導,就可以實現光路徑改變開關,透過光輻射壓力改變波導間距來運作。這種由光輻射壓力驅動的全光學開關是世界上第一個這樣的研究,我們將它命名為 MOMS(微光學機械系統)開關。

圖 1 (a) zipper cavity 的示意圖。(b) 光在定向耦合波導中的傳播示意圖。.
在對 MOMS 開關的設計和性能進行數值分析時,選擇矽為諧振器材料。與其他光學材料相比,二氧化矽的剛性較低,因此被認為適合需要較大結構位移的應用。控制光選用可見光波段,信號光則選用通訊光波段,以利用現有的寬波長範圍。如此一來,訊號光在傳播時就不會受到布拉格鏡所造成的模式定位影響。
當諧振器結構在光輻射壓力下移動時,諧振頻率的變化是絕熱的,因此光輻射壓力可由諧振器內能 U (諧振頻率ω) 對位移距離 s 的依存性 (dU/ds = ħdω/ds)計算出來。我們利用 FDTD 方法計算出所產生的光輻射壓力,以判斷諧振器間距改變時的諧振頻率 (圖 2 (a))。我們也利用有限元素法計算當光輻射壓力施加在諧振器結構上時,諧振器結構的位移。此外,我們使用 FDTD 方法評估了該結構在位移前後作為定向耦合器的性能,透過與前述結果的比較,顯示在輸入 190 mW 的控制光時,可以實現消光比超過 17.8 dB 的大光路轉換(圖 2 (b))。

圖 2 (a) 間隙依存性與光機耦合率及光輻射力的關係。消光比 (ER) = 17.8 dB)(上圖)和變形後的光傳播(s = 93 nm,ER = 18.2 dB)(下圖)。.
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