作者：Gail Overton

    你多数光开关的工作模式都是打开或关闭光，或者通过在两个端口之间引入折射率变化或相移，从而在器件的两个不同端口之间导光。由于这种折射率的变化非常小，因此通常器件的路径长度很长，其开关区的长度大于150μm。通过在空间紧凑的光子晶体波导结构中使用一个硅定向耦合器，苏格兰圣安德鲁斯大学的研究人员利用该器件中的慢光增强优势制造了一种光开关，它比一个具有相同折射率变化的传统器件短36倍。

    在一个长度为L的定向耦合器中，当光的相对路径长度由于折射率变化△n而改变半个波长（相移为π）时，就会发生开关效应，其中△n由 △nL=λ/2定义。通过在耦合器波导周围的光子晶体材料中构造小孔结构，就可以控制中心耦合区的色散（如图）。该研究小组在一个长度为L=5.2μm的器件中使用了三种不同的小孔半径（0.30a、0.34a和0.39a）来实现开关（晶格周期a=430nm）。其折射率的改变为0.0042，这意味着 △n与L的乘积为22nm，或者比工作波长为1574nm的传统器件的△nL乘积787nm小36倍。

    图. 定向耦合器开关的扫描电子显微照片显示了两个光子晶体波导由三个区域组成：长度为5.2μm的中心定向耦合区域以及输入区和输出区（上图）。器件结构的整体图像显示了其具有S型的弯曲（左下图），这是为了防止接入波导之间发生相互作用，以及在端面提供足够的空间间隔以观察每一个输出端口。耦合器的光子晶体部分包括三种不同的小孔尺寸用来控制光子晶体波导的色散。

    慢光增强    

    能够实现超紧凑开关的关键设计特点是慢光增强，其中定向耦合器的两个超模之一的群速度较慢。光在器件中的较慢群速度有效地增加了波导的光学路径长度，从而在物理长度相同的情况下增强了它们之间的相互作用。这种相互作用的增强使得开关长度显著减小。研究人员利用电子束蚀刻的方法制造器件，控制小孔尺寸的精度为1%。

    在一个原理验证实验中，他们使用了一个宽带发光二极管（LED）光源照射器件的一个输入端口。研究人员利用热光效应（对安装器件的平台进行加热来产生折射率变化）演示了光的开关。在近红外波长区，硅能够产生每开氏温度0.00018的折射率变化，这足以在该器件中实现开关功能。通过在23℃和 45℃之间变换温度，实现了输入光在两个端口之间的转换。对于仅为0.0042的折射率变化，实现了对1575nm波长光的开关，其分辨比超过30dB。

    尽管这种开关的带宽仅为1.2nm，但它仍然能够容纳100GHz的光信号。此外，这种灵活的设计允许用户定制色散曲线来改变工作波长。

    研究人员Thomas Krauss说：“目前，光开关的尺寸趋向于毫米量级，很难说哪一种是已经制造出来的最小的光开关，但是这绝对是其中之一。” Krauss预言，总有一天这样的开关阵列会使用到集成光网络中。“实现更小器件的关键就是能够把开关阵列做得更小。”

    参考文献

1. D.M. Beggs et al., Optics Lett. 33(2) 14(Jan. 15, 2008).

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