固体全光开关及前景展望研究
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新 兴产 业 与 关 键 技 术
固体全光开关及前景展望研究
林 潇 孙 博鹏
山东科技 大学理学院应用物理系０ — ９ ２班 山 东青岛 ２６ ９ ６ ５０
摘 要： 介绍 了全光开 关的发展 背景 以及现 状， 出 了 展全光 开关的 必要性， 简要 指 发 同时以具 有 良好 发展前 景的量子相 干效应全光 开关 、 光子 晶体 全光开 关和波 导全光 开关为例 ， 绍 了全 光开 关的物理 实现机制 和各 自 点， 介 特 并对全 光开关 的发 展前 景做 出了合 理展 望。 关键词 ： 光开 关量 子相 干效 应光子 晶计到实际应用的跨越 ， 给信息技术以及其周 边领域带来新的生机 。
参 考 文 献 图 １非 对 称 量 子 阱 能 带 结构 在此结 构中浅阱的基态和深阱的第一激发态近共振， 存在 电子 ［ ］ 淳 飞 ． 光开 关 原 理 ［ ］北 京： 学 出版 社，０ Ｏ ０ — １ １李 全 Ｈ． 科 ２１ － ７ ０ ． 隧穿， 于是产生了两个新的能态１ 和１ 二者具有很强的相干性 ， ［］ ２ ３ ＞ ＞， ２ 龚旗煌， 胡小永． 超快速光子晶体全 光开关研究． 北京大学学报（ 自 即隧穿诱导相干。 频率分别为 Ｃ。 ∞ 的两个相干场（ 制光和信号 然科学版） ０ ６年 １月第 ４ Ｏ和 控 ．０ ２ ２卷（ １期） １ １ ． 第 ： — １ ７ 光） 将这两个中间能态分别与浅阱的第一激发态１ 和深阱的基态 ［］ ４ ＞ ３ 吴金辉， 高锦岳． 基于可调谐 Ｆ ｎ 干 涉的超快全 光开关［ ］研 究 ａｏ Ｍ． ｌ 耦合起来。 １ ＞ 口 由此结构中， 我们可以看 出， 一个较弱的控制光 （ 可 快讯，０ ６ １ ） ２０ 年第 ３ ５卷（ ２ ：０ －１ ２ 第 期） ０ Ｏ ． １ 以通过两个量子 阱之间的隧穿效应来控制信号光 ∞ 的传播特性 ， 实 ［ ］ ｕ Ｊ ，Ｇ ｏ Ｊ Ｙ ｕ ｊ 。ｅ ｌＰ ｙ ｅ ．Ｌ ｔ ，２ ０ ，９ ：５ ４ Ｗ －Ｈ ａ － ，Ｘ －Ｈ ｔ ａ ｈ ｓ Ｒ ｖ ｅ ｔ ０ ５ ５０ ， 现 了 以光 信 号 控 制 光 信 号 的 全 光 开 关 功 能 。 ７０ ４ 】． 量 子相 干 效 应 全 光 开 关 是 基 于 所 使 用 材料 的 固有 相干 性来 实
现的 ， 不依赖于外场驱 动， 具有很高的响应速度 、 开关效率 和控制效 果， 对全光开关乃 至整个量子理论的发展和实际应用有重要指导意
义。
２ 固 体 全 光 开 关 举 例 介 绍 、
虽然到 目前为止 ， 还没有现实意义上的全光开 关出现 ， 但现已 发展成多种类 型的全光开关模型 ， 这些开关都各有所长。 ２１量 子相 干 效应 全 光 开关 ． 量子相干效应全光开关是基于量 子相干和干涉效 应的全光开 关结 构 ， 过 一 束 控 制 光 控 制 量 子 干 涉 ， 而调 制 信 号光 的传 播 特 通 从 性。 实现量子相干效应的基本手段是利用外加相干场耦合原子的不 同 能 级 ， 其 发 生 关 联 ， 而 在 不 可 分 辨 的 量 子跃 迁 通 道 之 间 产 生 使 从 干涉 。 吴金辉等人在量子相干效应 的理论研究中取得进展 ， 出了利 提 ３ 、 结 语 用非对称量子 阱结构 中的可调谐隧穿感应量子干涉可用来实现在 光 子 技术 的 优越 性 使 我 们看 到 了信息 技 术 的新 的 发展 空 间 。 在 低温下工作的新型 、 高效、 宽带 、 超快光学开关 的方案 。 当今的信息技术领域 中， 若能使用光子技术完全代替电子技术 ， 无 【 ４ ｌ 他们设计 了一个 非对称 的量 子阱结 构。如 图１ （ 所示） 论在通信领域还 是计 算机 领域 ， 都将带来一场革命性的改变 ， 实现 低 成 本 、 功 耗 、 容 量 、 速 度 的 先进 的信 息 技 术 ， 将 会 再 一 次 低 高 高 这 ４＞ － 极大改变人们的生活 ， 克服现阶段 电子 技术速度 、 容量有 限， 体积 、 ２＞ ＝ 成本 、 能耗较高等缺点 。 目前实现这一转变的瓶颈就 是全光 开关的 实际应用 。 目前全关开关的发展 来看 ， 从 人们将会在不久的将来实
２２ Ｃｈｎ ｃｅ ｃ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｅｖｅ ｉａＳ ｉｎ ｅ＆ ｅｈ ｏｏ ｙＯｖｒｉｗ
ｌ － ＞
２２光子 晶体 全 光开 关 ． 光子 晶体作为一种新型的人造光子学材料， 具有独特的光子带 隙特性 ， 能有效地控制光子的传输状 态。 利用光子晶体 来实现全光开关的思想 ， 最早 由Ｓ ａ ｒ在 １９年 ｃｌ ａ ９４ ｏ 提出的。 当不 施 加 作 用 时 ， 测 光 能够 通 过 光 子 晶体 ； 束 抽 运 光 探 当一 作用于光子晶体 时， 探测光就被光子 晶体全部反射回来而不能通过 光子晶体 ， 由此实现抽运光对探测光传输过程 的开 关控制作用 。 实 现光子晶体全光开关的方法有 ： 通过光子带隙迁移、 通过缺陷模式 迁移 、 通过非线性频率转换 、 利用光子态密度 、 利用双稳态效应 、 通 过波导和微腔的耦合等 。 光子晶体全光开关具有体积小的优点 ， 为实现全光开关的集成 化打开 了一扇新的大 门， 具有 良好 的发展前景 。 ２３波 导 全 光 开 关 ． 波导 全 光 开 关是 非 线性 光 波 导器 件 的 一 种应 用 ， 要 利 用光 在 主 光波导 中传播 时的非线性光学效应。 非线性光波导器件包 括频率调 制型器件和强度调制型器件 。 频率调 制型器件 是将不同频率的光在 波导中相互作用而产生倍频 、 和频 、 参量过 程、 四波混 频、 受激拉曼 等非线性过程进而实现频率变换和能量转移的器件 ； 强度调制型器 件是基于光克尔效应 ， 即波导介质的折射率依赖于光强度 的变化效 应进而实现对光 强度 、 相位等调制的器件 。 典型的波导全 光开 关主 要 是基 于 非线性 方 向耦 合 器 、 非线 性光 纤光 栅 反射 器 、 线性 非 Ｍａｈ Ｚ ｈ ｄ ｒ ｃ － ｅ ｎ ｅ干涉仪 、 非线性模混合器 、 弧型或Ｘ 一型波导等 非线 性 波 导 器 件 而设 计 的 全 光 型光 学 开 关 。 波导全光开关无论是 从结 构上 、 功能上 ， 还是从技术 上 材料 上， 都有较有优势 ， 并且其繁多的种类和较为成熟的理论， 也使 我们 相信在不久的将来 ， 我们就能看到这种全光开关的实 际原 型出现。
１、 引 言
电子技 术与光子技术是 当今信息技术世界 的两大支柱 。 上世 纪， 电子开关 （ 电子晶体管 ） 即 的成功发 明与应用 ， 电子技术得到 使 了长足的发展 ， 并取得 了辉煌的成就 ： 计算机、 互联 网、 移动通信以 及各 种电子 电气设备等的电子技术的应用 ， 使人们的生活发生了彻 底的转变 。 而光子技术的主要 是作为电子 技术 的再 发展 ， 拓宽 了电 子技术的应用 。 从历史的发展状 况来看 ， 电子技术与光子技术均有 其 自身 的 优 点 ： 电子技 术 擅 长信 息处 理 ， 别是 数 字 化 信 息 处理 ； 特 光 子技术擅 长信息传输 ， 具有宽带 、 大容量 和并行处理等优点。 正是因 为二者各有所长， 以时至今 日， 所 在信息技术领域 中， 电子信息技术 主要 占据着数字化信息处理领域 ， 而光子技术主要 占据着信息传输 和信 息存 储 领 域 。 【 ｌ 随着近几 十年 的发展 ， 子技术 以其独特而明显 的优势 ， 光 大有 取代电子技术的趋 势。 目前为止 ， 到 光子技术完全取代 电子技术， 成 为信息技术的核心 ， 只差一步之遥 ： 用全光开关取代现有的电子开 关。 全光开关是一种 重要 的集成光子学器件 ， 完全利用光子与介质 作用来实现对 光传输过程进 行有 效的“ ’关” 开’ “ 控制作用 。Ｊ 用全光 开关代替 电子开关 ， 以极大提高信息处理速度和存储量 ， 可 降低功 耗， 因此 ， 发展 全光开 关已是 势在 必行 。
固体全光开关及前景展望研究
林 潇 孙 博鹏
山东科技 大学理学院应用物理系０ — ９ ２班 山 东青岛 ２６ ９ ６ ５０
摘 要： 介绍 了全光开 关的发展 背景 以及现 状， 出 了 展全光 开关的 必要性， 简要 指 发 同时以具 有 良好 发展前 景的量子相 干效应全光 开关 、 光子 晶体 全光开 关和波 导全光 开关为例 ， 绍 了全 光开 关的物理 实现机制 和各 自 点， 介 特 并对全 光开关 的发 展前 景做 出了合 理展 望。 关键词 ： 光开 关量 子相 干效 应光子 晶计到实际应用的跨越 ， 给信息技术以及其周 边领域带来新的生机 。
参 考 文 献 图 １非 对 称 量 子 阱 能 带 结构 在此结 构中浅阱的基态和深阱的第一激发态近共振， 存在 电子 ［ ］ 淳 飞 ． 光开 关 原 理 ［ ］北 京： 学 出版 社，０ Ｏ ０ — １ １李 全 Ｈ． 科 ２１ － ７ ０ ． 隧穿， 于是产生了两个新的能态１ 和１ 二者具有很强的相干性 ， ［］ ２ ３ ＞ ＞， ２ 龚旗煌， 胡小永． 超快速光子晶体全 光开关研究． 北京大学学报（ 自 即隧穿诱导相干。 频率分别为 Ｃ。 ∞ 的两个相干场（ 制光和信号 然科学版） ０ ６年 １月第 ４ Ｏ和 控 ．０ ２ ２卷（ １期） １ １ ． 第 ： — １ ７ 光） 将这两个中间能态分别与浅阱的第一激发态１ 和深阱的基态 ［］ ４ ＞ ３ 吴金辉， 高锦岳． 基于可调谐 Ｆ ｎ 干 涉的超快全 光开关［ ］研 究 ａｏ Ｍ． ｌ 耦合起来。 １ ＞ 口 由此结构中， 我们可以看 出， 一个较弱的控制光 （ 可 快讯，０ ６ １ ） ２０ 年第 ３ ５卷（ ２ ：０ －１ ２ 第 期） ０ Ｏ ． １ 以通过两个量子 阱之间的隧穿效应来控制信号光 ∞ 的传播特性 ， 实 ［ ］ ｕ Ｊ ，Ｇ ｏ Ｊ Ｙ ｕ ｊ 。ｅ ｌＰ ｙ ｅ ．Ｌ ｔ ，２ ０ ，９ ：５ ４ Ｗ －Ｈ ａ － ，Ｘ －Ｈ ｔ ａ ｈ ｓ Ｒ ｖ ｅ ｔ ０ ５ ５０ ， 现 了 以光 信 号 控 制 光 信 号 的 全 光 开 关 功 能 。 ７０ ４ 】． 量 子相 干 效 应 全 光 开 关 是 基 于 所 使 用 材料 的 固有 相干 性来 实
现的 ， 不依赖于外场驱 动， 具有很高的响应速度 、 开关效率 和控制效 果， 对全光开关乃 至整个量子理论的发展和实际应用有重要指导意
义。
２ 固 体 全 光 开 关 举 例 介 绍 、
虽然到 目前为止 ， 还没有现实意义上的全光开 关出现 ， 但现已 发展成多种类 型的全光开关模型 ， 这些开关都各有所长。 ２１量 子相 干 效应 全 光 开关 ． 量子相干效应全光开关是基于量 子相干和干涉效 应的全光开 关结 构 ， 过 一 束 控 制 光 控 制 量 子 干 涉 ， 而调 制 信 号光 的传 播 特 通 从 性。 实现量子相干效应的基本手段是利用外加相干场耦合原子的不 同 能 级 ， 其 发 生 关 联 ， 而 在 不 可 分 辨 的 量 子跃 迁 通 道 之 间 产 生 使 从 干涉 。 吴金辉等人在量子相干效应 的理论研究中取得进展 ， 出了利 提 ３ 、 结 语 用非对称量子 阱结构 中的可调谐隧穿感应量子干涉可用来实现在 光 子 技术 的 优越 性 使 我 们看 到 了信息 技 术 的新 的 发展 空 间 。 在 低温下工作的新型 、 高效、 宽带 、 超快光学开关 的方案 。 当今的信息技术领域 中， 若能使用光子技术完全代替电子技术 ， 无 【 ４ ｌ 他们设计 了一个 非对称 的量 子阱结 构。如 图１ （ 所示） 论在通信领域还 是计 算机 领域 ， 都将带来一场革命性的改变 ， 实现 低 成 本 、 功 耗 、 容 量 、 速 度 的 先进 的信 息 技 术 ， 将 会 再 一 次 低 高 高 这 ４＞ － 极大改变人们的生活 ， 克服现阶段 电子 技术速度 、 容量有 限， 体积 、 ２＞ ＝ 成本 、 能耗较高等缺点 。 目前实现这一转变的瓶颈就 是全光 开关的 实际应用 。 目前全关开关的发展 来看 ， 从 人们将会在不久的将来实
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２２光子 晶体 全 光开 关 ． 光子 晶体作为一种新型的人造光子学材料， 具有独特的光子带 隙特性 ， 能有效地控制光子的传输状 态。 利用光子晶体 来实现全光开关的思想 ， 最早 由Ｓ ａ ｒ在 １９年 ｃｌ ａ ９４ ｏ 提出的。 当不 施 加 作 用 时 ， 测 光 能够 通 过 光 子 晶体 ； 束 抽 运 光 探 当一 作用于光子晶体 时， 探测光就被光子 晶体全部反射回来而不能通过 光子晶体 ， 由此实现抽运光对探测光传输过程 的开 关控制作用 。 实 现光子晶体全光开关的方法有 ： 通过光子带隙迁移、 通过缺陷模式 迁移 、 通过非线性频率转换 、 利用光子态密度 、 利用双稳态效应 、 通 过波导和微腔的耦合等 。 光子晶体全光开关具有体积小的优点 ， 为实现全光开关的集成 化打开 了一扇新的大 门， 具有 良好 的发展前景 。 ２３波 导 全 光 开 关 ． 波导 全 光 开 关是 非 线性 光 波 导器 件 的 一 种应 用 ， 要 利 用光 在 主 光波导 中传播 时的非线性光学效应。 非线性光波导器件包 括频率调 制型器件和强度调制型器件 。 频率调 制型器件 是将不同频率的光在 波导中相互作用而产生倍频 、 和频 、 参量过 程、 四波混 频、 受激拉曼 等非线性过程进而实现频率变换和能量转移的器件 ； 强度调制型器 件是基于光克尔效应 ， 即波导介质的折射率依赖于光强度 的变化效 应进而实现对光 强度 、 相位等调制的器件 。 典型的波导全 光开 关主 要 是基 于 非线性 方 向耦 合 器 、 非线 性光 纤光 栅 反射 器 、 线性 非 Ｍａｈ Ｚ ｈ ｄ ｒ ｃ － ｅ ｎ ｅ干涉仪 、 非线性模混合器 、 弧型或Ｘ 一型波导等 非线 性 波 导 器 件 而设 计 的 全 光 型光 学 开 关 。 波导全光开关无论是 从结 构上 、 功能上 ， 还是从技术 上 材料 上， 都有较有优势 ， 并且其繁多的种类和较为成熟的理论， 也使 我们 相信在不久的将来 ， 我们就能看到这种全光开关的实 际原 型出现。
１、 引 言
电子技 术与光子技术是 当今信息技术世界 的两大支柱 。 上世 纪， 电子开关 （ 电子晶体管 ） 即 的成功发 明与应用 ， 电子技术得到 使 了长足的发展 ， 并取得 了辉煌的成就 ： 计算机、 互联 网、 移动通信以 及各 种电子 电气设备等的电子技术的应用 ， 使人们的生活发生了彻 底的转变 。 而光子技术的主要 是作为电子 技术 的再 发展 ， 拓宽 了电 子技术的应用 。 从历史的发展状 况来看 ， 电子技术与光子技术均有 其 自身 的 优 点 ： 电子技 术 擅 长信 息处 理 ， 别是 数 字 化 信 息 处理 ； 特 光 子技术擅 长信息传输 ， 具有宽带 、 大容量 和并行处理等优点。 正是因 为二者各有所长， 以时至今 日， 所 在信息技术领域 中， 电子信息技术 主要 占据着数字化信息处理领域 ， 而光子技术主要 占据着信息传输 和信 息存 储 领 域 。 【 ｌ 随着近几 十年 的发展 ， 子技术 以其独特而明显 的优势 ， 光 大有 取代电子技术的趋 势。 目前为止 ， 到 光子技术完全取代 电子技术， 成 为信息技术的核心 ， 只差一步之遥 ： 用全光开关取代现有的电子开 关。 全光开关是一种 重要 的集成光子学器件 ， 完全利用光子与介质 作用来实现对 光传输过程进 行有 效的“ ’关” 开’ “ 控制作用 。Ｊ 用全光 开关代替 电子开关 ， 以极大提高信息处理速度和存储量 ， 可 降低功 耗， 因此 ， 发展 全光开 关已是 势在 必行 。
