全光可调谐的硅基二维光子晶体复合型器件光学特性研究

The tunable hybrid devices have attracted much attention for their tunability and compatibility with traditional integrated circuits. The hybrid photonic crystal devices with all-optical modulation have important applications for their ultimate object of all-optical circuits. And the corresponding hybrid devices which have broader bandwidth, lower threshold excitation power and faster response time become the research hotspots. Besides, the devices with the advantages of simplicity, easy integration and low loss are more preferred. Therefore, we choose the silicon-based hybrid structures as the research objects, which integrate with light-controllable photoresponsive liquid crystal having large refractive index difference (n=0.6), lower threshold excitation power (mW/cm2) and faster response time (ns). The sensitive hybrid all-optical modulators, like tunable air-slot nanocavities and multi-channel unidirectional and bidirectional filters in two-dimensional photonic crystal slabs, can be realized in broader bandwidth under all-optical modulation. The implementation of this project will promote the application of photonic crystal all-optical modulators in the field of all-optical integrated circuits.

复合型的可调谐器件由于兼有可调谐特性和与传统集成电路的兼容性吸引了研究者的浓厚兴趣。全光集成是微纳光子器件的必然方向和最终目标，因此全光可调谐的复合型光子晶体器件具有重要的应用前景。探索具有更宽的频率调谐范围、低阈值激发功率和更快响应时间的全光可调谐器件，以及如何使器件更简单化、易于集成、低损耗则成为研究热点。我们选用大折射率差（n=0.6）、低阈值激发功率（mW/cm2量级）、快响应时间（ns量级）的光敏性液晶作为光调谐功能材料，研究近红外波段光敏性液晶与二维平板硅集成的复合型全光调谐的光子晶体器件。探索得出近红外波段，宽频带内全光可调谐的对称、非对称传输的二维平板光子晶体空气槽纳米腔和慢光调制器；以及全光可调谐的二维平板光子晶体多通道单向、双向滤波器等调控器件。本项目的开展将有助于推动硅基全光可调谐光子晶体复合型器件在全光集成回路中的实际应用。

本项目根据预定的研究内容和研究目标，研究了硅基的各种可调谐的复合型器件在近红外波段的光学特性，取得了较好的结果。首先，通过调控5CB液晶的取向，环形谐振腔在1570nm附近取得了最大为6.6nm的波长调节；光子晶体圆形腔在1560nm附近取得了3.25nm的波长调节；传统的光子晶体L3腔在1580nm附近的最大调节范围可达5.1nm，较大的调谐范围可以有效的区分调谐前后共振峰的变化，对于器件的实际应用具有重要的意义。其次，通过优化光子晶体二极管异质界面的结构，正向峰值透过率达到了0.682；在输出界面上引入光栅结构，实现了双分束、三分束和五分束的单向输出，并且通过改变输出界面空气孔的形状，可以有效的对各输出光束进行调节，实现可调谐的分束器。另外，通过调节石墨烯的化学势，可以有效的对石墨烯集成的A1腔进行动态调制，最大的波长移动可达2.62nm，而品质因子的调制幅度超过5，调制深度可达12.8dB。最后，我们还利用GaAs作为饱和吸收体，实现了最大的平均输出功率1W、最大脉冲能量为7.5uJ的1.0um激光器来对调谐材料进行连续的泵浦调节；光信号的动态调控对于实验的精确测量具有重要的意义，通过调节探测器的旋转角度，我们实现了对双光路干涉条纹的动态的弹性调控，提高了光信号的测量精度。本项目的开展将有助于推动硅基全光可调谐光子器件在全光集成回路中的实际应用。