eng
Выпуск #1/2007
С.Фан, М.Яник, З.Ванг, М.Повинелли, С.Сандху.
Фотонные кристаллы в оптической связи
Фотонные кристаллы в оптической связи
Просмотры: 2424
Использование структур на базе фотонных кристаллов (ФК) открывает новые возможности в управлении потоком света и может оказать существенное влияние на создание и миниатюризацию устройств оптической связи. В статье [1] рассказывается о применении ФК для оптической буферизации и магнитооптических ФК для создания оптических циркуляторов.
Остановка света в ФК
Возможность существенно замедлить скорость распространения света, а также остановить и запомнить оптические импульсы является ключом к полному управлению светом. Это можно использовать в оптической связи и процессах обработки информации на квантовом уровне. На основе электронного или оптического резонанса можно когерентно уменьшить групповую скорость света. Однако использование электронных состояний для когерентного хранения оптической информации ограничено тем, что только некоторые электронные резонансы, наблюдаемые в природе, обладают требуемыми свойствами. Диапазоны длин волн, где такие эффекты наблюдаются, также очень ограничены.
Интересно добиться управления скоростью света за счет использования оптических резонансов в фотонных структурах, имеющих микрорезонаторы, и в ФК. Фотонные структуры могут быть получены с помощью литографии в виде ИС для работы в любом диапазоне длин волн. Значительное снижение групповой скорости распространения импульсов наблюдалось в ФК-волноводах или в волноводах со связанными оптическими резонаторами (CROW). Однако групповая задержка в среде с оптическими резонансами обратно пропорциональна ширине полосы, внутри которой возникает эта задержка. Поэтому для импульса определенной длительности и ширины полосы минимально достижимая скорость ограничена. По этой причине до сих пор структуры на ФК не могли быть использованы для остановки света.
Световые импульсы можно останавливать и когерентно сохранять, используя процесс адиабатического и обратимого сжатия спектра импульсов. Этот процесс можно применить к обращенной во времени последовательности оптических импульсов [2,3]. Возможность обращения последовательности во времени имеет важные последствия. Для оптических волн все механизмы, связанные с обращенным временем, используют нелинейные процессы, такие, например, как четырехволновое смешение.
Согласование фаз при этом должно удовлетворяться по всему спектру импульса. Это сложная задача для создателей новых нелинейных материалов: требуется применение мощных лазеров, что ограничивает возможности интеграции на базе ИС. Связывая два ФК-волновода, имеющие противоположные дисперсионные параметры, можно (путем модуляции показателя преломления при нахождении фотонов внутри волновода) передать фотоны между двумя волноводами, завершив тем самым обращение времени.
Практика показывает, что динамические ФК, сконструированные на кристалле в любой системе, где показатель преломления настраивается путем небольших изменений (dn/n < 10-4), могут обеспечить оптическую информационную обработку.
Магнитооптические (МО) ФК и оптические изоляторы на единой волновой платформе
Интегрированные невзаимные оптические элементы, такие как оптические изоляторы и циркуляторы, могут играть важную роль в оптических схемах высокой степени интеграции. Такие элементы подавляют многократные отражения от взаимодействующих компонентов и снижают влияние неточности изготовления и воздействие окружающей среды. Длина обычных оптических изоляторов и циркуляторов – несколько миллиметров. Они, естественно, нуждаются в миниатюризации.
В работах [4, 5] рассмотрены невзаимные МО-резонаторы в двумерных ФК, используемые для конструирования компактных, широкополосных и планарных оптических циркуляторов. Предложенный элемент состоит из трех волноводных ответвлений (портов), которые бесконечно мало связаны с центральной резонансной полостью. Такая структура позволяет осуществлять передачу между портами 1 и 2, 2 и 3 или 3 и 1, запрещая передачу в противоположном направлении. Для этой цели используются МО-материалы с резонансной полостью, которая поддерживает две (разные по частоте) моды, вращающиеся в противоположном направлении. Так как такие противонаправленные моды в общем случае связаны с симметрией относительно обращения времени, то факт, что они имеют различные частоты, прямо указывает на нарушение симметрии относительно обращения времени.
Предложенный элемент (см. рисунок) имеет малые (несколько квадратных длин волн) размеры. При тонкопленочной реализации материал (BIG) демонстрирует явную гиротропию с насыщением (0,06). BIG-элемент обеспечивает уровень изоляции 30 дБ в широком диапазоне (до 213 ГГц) при работе на длине волны 633 нм. Так как добротность такого резонатора не ниже 140, то он допускает значительный уровень поглощения. При работе на длине волны 1550 нм материал Ce:YIG имеет меньшее насыщение (0,009) и очень малое поглощение. Он может обеспечить изоляцию до 30 дБ в диапазоне частот до 12,6 ГГц.
Литература
1. S.Fan, M.F.Yanik, Z.Wang, M.P.Povinelle, S.Sandhu. OThO3. – OFC-2006.
2. M.F.Yanik, S.Fan. Phys. Rev. Lett., V.93, 2004, p.173903.
3. M.F.Yanik, W.J.Suh, Z.Wang, S.Fan. Phys. Rev. Lett., V.93, 2004, p.233903.
4. Z.Wang, S.Fan. Optics Lett., V.30, 2005, p.1989.
5. Z.Wang, S.Fan. App. Phys. B, V.81, 2005, p.369.
Возможность существенно замедлить скорость распространения света, а также остановить и запомнить оптические импульсы является ключом к полному управлению светом. Это можно использовать в оптической связи и процессах обработки информации на квантовом уровне. На основе электронного или оптического резонанса можно когерентно уменьшить групповую скорость света. Однако использование электронных состояний для когерентного хранения оптической информации ограничено тем, что только некоторые электронные резонансы, наблюдаемые в природе, обладают требуемыми свойствами. Диапазоны длин волн, где такие эффекты наблюдаются, также очень ограничены.
Интересно добиться управления скоростью света за счет использования оптических резонансов в фотонных структурах, имеющих микрорезонаторы, и в ФК. Фотонные структуры могут быть получены с помощью литографии в виде ИС для работы в любом диапазоне длин волн. Значительное снижение групповой скорости распространения импульсов наблюдалось в ФК-волноводах или в волноводах со связанными оптическими резонаторами (CROW). Однако групповая задержка в среде с оптическими резонансами обратно пропорциональна ширине полосы, внутри которой возникает эта задержка. Поэтому для импульса определенной длительности и ширины полосы минимально достижимая скорость ограничена. По этой причине до сих пор структуры на ФК не могли быть использованы для остановки света.
Световые импульсы можно останавливать и когерентно сохранять, используя процесс адиабатического и обратимого сжатия спектра импульсов. Этот процесс можно применить к обращенной во времени последовательности оптических импульсов [2,3]. Возможность обращения последовательности во времени имеет важные последствия. Для оптических волн все механизмы, связанные с обращенным временем, используют нелинейные процессы, такие, например, как четырехволновое смешение.
Согласование фаз при этом должно удовлетворяться по всему спектру импульса. Это сложная задача для создателей новых нелинейных материалов: требуется применение мощных лазеров, что ограничивает возможности интеграции на базе ИС. Связывая два ФК-волновода, имеющие противоположные дисперсионные параметры, можно (путем модуляции показателя преломления при нахождении фотонов внутри волновода) передать фотоны между двумя волноводами, завершив тем самым обращение времени.
Практика показывает, что динамические ФК, сконструированные на кристалле в любой системе, где показатель преломления настраивается путем небольших изменений (dn/n < 10-4), могут обеспечить оптическую информационную обработку.
Магнитооптические (МО) ФК и оптические изоляторы на единой волновой платформе
Интегрированные невзаимные оптические элементы, такие как оптические изоляторы и циркуляторы, могут играть важную роль в оптических схемах высокой степени интеграции. Такие элементы подавляют многократные отражения от взаимодействующих компонентов и снижают влияние неточности изготовления и воздействие окружающей среды. Длина обычных оптических изоляторов и циркуляторов – несколько миллиметров. Они, естественно, нуждаются в миниатюризации.
В работах [4, 5] рассмотрены невзаимные МО-резонаторы в двумерных ФК, используемые для конструирования компактных, широкополосных и планарных оптических циркуляторов. Предложенный элемент состоит из трех волноводных ответвлений (портов), которые бесконечно мало связаны с центральной резонансной полостью. Такая структура позволяет осуществлять передачу между портами 1 и 2, 2 и 3 или 3 и 1, запрещая передачу в противоположном направлении. Для этой цели используются МО-материалы с резонансной полостью, которая поддерживает две (разные по частоте) моды, вращающиеся в противоположном направлении. Так как такие противонаправленные моды в общем случае связаны с симметрией относительно обращения времени, то факт, что они имеют различные частоты, прямо указывает на нарушение симметрии относительно обращения времени.
Предложенный элемент (см. рисунок) имеет малые (несколько квадратных длин волн) размеры. При тонкопленочной реализации материал (BIG) демонстрирует явную гиротропию с насыщением (0,06). BIG-элемент обеспечивает уровень изоляции 30 дБ в широком диапазоне (до 213 ГГц) при работе на длине волны 633 нм. Так как добротность такого резонатора не ниже 140, то он допускает значительный уровень поглощения. При работе на длине волны 1550 нм материал Ce:YIG имеет меньшее насыщение (0,009) и очень малое поглощение. Он может обеспечить изоляцию до 30 дБ в диапазоне частот до 12,6 ГГц.
Литература
1. S.Fan, M.F.Yanik, Z.Wang, M.P.Povinelle, S.Sandhu. OThO3. – OFC-2006.
2. M.F.Yanik, S.Fan. Phys. Rev. Lett., V.93, 2004, p.173903.
3. M.F.Yanik, W.J.Suh, Z.Wang, S.Fan. Phys. Rev. Lett., V.93, 2004, p.233903.
4. Z.Wang, S.Fan. Optics Lett., V.30, 2005, p.1989.
5. Z.Wang, S.Fan. App. Phys. B, V.81, 2005, p.369.
Отзывы читателей
