自從1964 年A. Szöke 等人首次提出雙穩態雷射器的思想以及1975 年H. M. Gibbs 等人首次完成折射型光學雙穩器件的實驗以來，至今全光開關的研究歷史已長達半個世紀，經歷了3 個發展階段：光學雙穩態全光開關研究階段，非線性幹涉儀全光開關研究階段 ，以及納米尺寸全光開關研究階段。但是，迄今為止還沒有可實用的全光開關器件問世。
實用的全光開關要求達到以下技術指標：(1)低驅動功率。開關功率低至mW量級；(2)高開關速度。開關時間短至ps 量級；(3)低光損耗。插入損耗低至dB 量級；(4)信號光波長採用光通信波長1550 nm；(5)器件製備採用成熟的電子器件工藝——互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝。
研究結果表明，對基於非線性光學原理的全光開關器件，在微米尺寸以上的宏觀條件下，上述技術指標是相互矛盾的，無法在一個器件上同時實現。例如，液晶材料器件，非線性光學效應很強，所需的開關功率較低，但開關時間太長，甚至長達秒量級；又如化合物半導體材料(如GaAs，InP)器件，非線性光學效應較強，但開關功率高於毫瓦，開關時間受載流子複合壽命的限制，只能達到納秒量級，而且因光吸收太強，器件的插入損耗很大；再如矽(以及石英等)材料器件，光學透明度高，光響應速度快。但是由於材料的對稱性高，光學非線性很低，因此所需開關功率很高。長期的研究表明，為實現全光開關的實用化，必需壓縮器件的尺寸，採用納米全光開關器件。同時為提高開關時間，必需採用超短脈衝雷射作泵浦光。也就是說，全光開關器件只有在空間和時間高度壓縮的情況下才有可能獲得應用。
近十多年來，國際上開展了大量納米全光開關的研究。有些納米全光開關器件，在開關功率和開關時間這兩個指標上，有可能同時達到應用指標，但是在光學損耗、工作波長和製備工藝等方面不能滿足應用的要求，大部分器件很難做到實用化和集成化。最近幾年來，科學家們把注意力集中到基於矽材料和納米波導微腔結構的全光開關的研究方向上來，在全光開關實用化的道路上跨進了一大步。下面我們介紹近十年來國際上研究矽基納米波導微腔全光開關的5種典型的方案。直到目前為止，我國尚未發表這方面的研究成果。
為了提高全光開關的開關速度，降低光損耗，最好採用矽材料。但是矽的光學非線性太低。對波長λ =1550nm，其非線性折射率係數n2=4×10-14 cm2/W。因此採用環形共振腔結構，可以無限延長器件的非線性作用長度，積累光學非線性，以便在較低泵浦光下實現光開關運轉。
2004 年，美國Lipson 研究組在Nature 雜誌上刊登了矽基納米波導環腔全光開關的實驗報導。他們採用電子束曝光和反應離子束刻蝕技術，以SOI 材料製備脊形納米波導，該波導橫截面尺寸為：寬×高=450 nm×250 nm。用納米波導構成直徑為10 μm的共振環。圓環波導與直波導的間隙為250 nm。器件結構如圖1 所示。器件的插入損耗小於0.5 dB。
圖1 脊形矽納米波導環腔全光開關的結構圖
該光開關採用交叉泵浦工作方式，如圖2 所示。信號光是中心波長為1550 nm、波長可調的半導體連續雷射，通過錐形波導耦合器入射共振環。泵浦光採用鈦寶石飛秒雷射， 具有脈寬120 fs、單脈衝能量1.5 nJ、重複率80 Hz 和波長800 nm。輸出光被BBO 晶體轉換成波長400 nm、平均能量小於120 pJ 的飛秒雷射，垂直照射器件的環形表面。飛秒雷射與矽材料相互作用，產生雙光子吸收(TPA)效應：矽材料的折射率變化Δn 與泵浦光的平均功率的平方P2avg 成正比；而對一般單光子吸收，即光克爾效應，Δn與泵浦光的功率P的一次方成正比。因此雙光子效應比光克爾效應所需的開關功率低約1000倍。
圖2 信號光與泵浦光對環共振腔全光開關的輸入方向示意圖
輸出信號光的透射率與波長的關係曲線是周期性的，如圖3 所示。無泵浦光時，信號光波長處於透射谷處，器件處於關閉狀態；當泵浦光照射器件時，在矽材料中產生TPA效應：雙光子激發電子—空穴對，改變電子與空穴載流子的濃度，引起材料的折射率變化，導致器件的透射譜發生移動，器件的透射率從透射谷變為透射峰，於是器件的狀態發生從關閉向開啟的轉變。從1554.5nm的透射谷轉變為1554.6nm的透射峰的開關過程中，波長變化量僅為0.1nm，相應的材料折射率變化約為10-3。這種基於TPA的全光開關，平均開關功率小於10mW，開關時間約為70ps，這些指標已接近實用器件的指標。
圖3 矽納米波導環腔全光開關工作原理(泵浦功率引起信號光透射譜移動，輸出信號光波長從透射谷移到透射峰，實現光開關)：(a) 無泵浦光，器件關閉；(b) 加泵浦光，器件開啟
矽材料的雙光子吸收過程中存在著自由載流子吸收(FCA)效應，載流子複合時間約1 ns，這限制了以上脊形矽納米波導的非線性響應時間，約100 ps。也就是說，用這種脊形矽納米波導進行全光信息處理，速率只能達到10 Gb/s。為了加快矽納米波導的信號處理速度，科學家們建議將脊形矽納米波導改為槽形矽納米波導，用高非線性有機分子材料填入槽中，構成矽和有機材料混合的波導， 被稱為SOH(silicon- organichybrid)波導。因為有機分子材料的非線性響應時間為1 ps，而且有機分子起著縮短矽材料載流子複合時間的作用。因此槽形矽納米波導的非線性響應時間可提高到10 ps 量級，採用這種槽形矽納米波導， 進行全光信號處理，其速率可比脊形矽納米波導提高10倍，達到100 Gb/s。
2009年C. Koos 等人在Nature Photonics雜誌上發表了槽形矽納米波導的研究結果。並用這種波導演示了從170.8 Gb 到42.7 Gb的全光解時分復用(OTDM)實驗，證明了這種新型波導具有100 Gb/s 的全光信號處理能力。
該豎槽形矽納米波導是用CMOS 工藝製備的，即在SOI 晶片上做深紫外光刻和反應離子刻蝕。波導橫截面尺寸如圖4(a)所示：高h=220 nm，寬W=212 nm，狹縫寬Wslot= 205 nm，波導總長L=4 mm。波導截面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖4(b)所示。
圖4 豎槽形矽納米波導的橫截面圖：(a) 波導的結構尺寸和電場(Ex)的分布圖(矽(Si)波導以SiO2 為襯底，NL為非線性有機小分子）；(b) 矽槽形納米波導的掃描電子顯微鏡照片
用氣相沉積方法在槽形矽波導的狹槽中以及矽波導周圍空間均勻填入有機小分子DDMEBT，其線性折射率為1.8 ， 而Si 的線性折射率為3.5。DDMEBT 分子的非線性折射係數為n2 =1.7×10-13 cm2/W(對波長1.5 μm)。由於納米矽波導界面的倏逝場增強效應和有機分子的高非線性，使狹槽中的橫向光電場Ex很強，狹槽成為導光的主要通道。這就在納米尺寸條件下，形成一種特有的低折射率光波導。波導的傳輸損耗為1.5 dB/mm，輸入光纖與光波導之間的耦合損耗為4.1 dB。
論文作者演示了用一個槽形矽納米波導完成的全光傳輸實驗。這是用四波混頻方法對OTDM信號進行解復用的實驗。實驗證明，槽形矽波導器件的響應速度小於10 ps，對光信號的傳輸速率接近100 Gb/s。這種豎槽形波導若做成一個環腔結構，即可構成豎槽形矽納米波導環腔全光開關器件。
充Si-nc/SiO2的橫槽形矽納米波導環腔全光開關2010 年，Alejandro Martinez 等人在Nano Letter雜誌上報導了他們研製的橫槽形矽納米波導全光開關的新方案。他們用CMOS技術在SOI 晶片上製備的橫槽形矽波導如圖5 (a) 所示。波導的襯底為SiO2(石英)；下包層是晶體矽c-Si，厚度為t1=220 nm；上包層是非晶矽a-Si，厚度為t2=220 nm。橫槽層中間充以Si-nc/SiO2(即包含在SiO2中的納米矽晶Si-nc)材料，它是用低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術，將直徑2.4 nm 的納米矽晶Si-nc 嵌入SiO2材料中構成的。橫槽厚度為ts=50 nm。波導的寬度為W=500 nm。整個波導用四乙基原矽酸鹽材料(TEOS)覆蓋。橫槽層材料具有高光學非線性，n2=2×10-12 cm2/W，由於倏逝場的作用，使電場集中在波導橫槽的中部，形成了一個橫向的低折射率光波導。圖5(b)給出了Si- nc/SiO2 的能量濾波透射電鏡(EFTEM)照片。其納米缺陷抵消了自由載流子吸收對開關速度的限制，因此該材料對泵浦光具有高響應速度。用LPCVD技術沉積Si- nc/SiO2，傳輸損耗較大，約為20 dB/cm，若改用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術，則傳輸損耗僅為4 dB/cm。
圖5 Si-nc/SiO2橫槽形矽波導全光開關結構：(a) 波導橫截面尺寸和橫向電場分布；(b) 槽中的Si-nc/SiO2材料的EFTEM照片(顯示Si-nc在槽形波導中分布的均勻性)
圖6(a)給出用橫槽形波導製備的半徑20 μm的環形共振腔全光開關的掃描電鏡照片。環與直波導的間距為250 nm，器件總面積是500 μm2。低功率下測得的環腔的線性透射譜(無泵浦光)，如圖6(b)中的黑線所示，它具有17 dB 的最大谷值。該環腔的品質因子為1875，相當於腔的光子壽命為1.54 ps。
圖6 Si-nc/SiO2橫槽形矽波導環腔全光開關：(a) 波導環腔的掃描電鏡照片；(b) 不同泵浦光功率下，器件輸出信號的功率—波長關係曲線(泵浦光功率從0(黑色線)上升到100 mW(黃色線)，實現調製度大於50% 的光開關)
為觀察環腔的動態行為，將信號光與泵浦光一起從左邊埠入射器件。信號光為波長1544.5 nm的連續光(靠近共振波長)；泵浦光為脈衝光，由光纖雷射器輸出，具有脈寬1 ps 和重複頻率10 GHz，其波長選擇為1557.5 nm(相鄰的另一共振波長)。泵浦光在器件內引起折射率變化，但在輸出埠被濾波器濾除。當泵浦功率從0增加到200mW，器件的透射光譜發生如圖6(b)所示的紅移。可見在100 mW的泵浦光碟機動下，信號光實現了調製度大於50%(3 dB)的光開關，並測得開關時間為10 ps。
2010 年，Michele Belott 等人提出一種在脊形矽納米波導上製作矽/空氣光子晶體一維F-P 腔的全光開關新方案。其外形結構如圖7(a)所示。用電子束曝光和反應離子束刻蝕技術在SOI 材料的SiO2 襯底(厚1 μm)上做一條長10 μm、寬500 nm、高260 nm 的脊形納米矽波導，再用化學腐蝕方法在矽波導上製備由空氣圓柱構成的單行二維光子晶體F-P幹涉儀。它由兩個光子晶體反射鏡構成，具有以1.55 μm通信波長為中心的反射帶。每個反射鏡有12 個圓洞，其中6 個直徑相同(98 nm)、間距相等(350 nm)的圓洞構成反射區。為減少散射損耗， 增大Q值，反射鏡兩邊各設有一個錐形耦合區，它是由直徑和間距漸變的3 個圓洞( 直徑65 nm， 80 nm， 85 nm； 間距300 nm，315 nm，325 nm)構成。兩反射鏡的間距(腔長)為425 nm。圖7(b) 給出納米F-P腔上表面的掃描電鏡圖。整個器件的有效面積僅有5 μm2(長10 μm×寬0.5 μm)。
圖7 納米矽波導光子晶體F-P幹涉儀全光開關(腔長為425 nm)：(a)器件的外形結構圖；(b)光子晶體納米F-P 腔的掃描電鏡圖
對以上器件結構用二維有限時域差分法(FDTD)進行數值模擬，得到器件的透射光譜，如圖8(a)所示，顯示在光子晶體的帶隙的中部有一共振波長(~1500 nm)。圖8(b)顯示信號光透射譜的峰值波長隨泵浦光功率增強而藍移的情況。若無泵浦光時，信號光的透射譜為實線，峰值波長為1502.3 nm，對應於器件的開啟狀態；若加泵浦光時，信號光的透射譜變為虛線，峰值波長1500 nm(藍移了-2.3 nm)，對應器件的關閉狀態。
圖8 用FDTD法模擬圖7 所示納米矽波導光子晶體F-P 腔結構的透射光譜：(a)寬帶透射譜，表明腔共振波長1500 nm 處於光子晶體帶隙的中央；(b) 透射譜隨波長差的變化而移動。無泵浦光時透射譜( 實線)， 峰值波長為1502.3 nm, 對應器件的開態；加泵浦光時透射譜(虛線)，峰值波長變為1500 nm，對應器件的關態
該光開關實驗所用的泵浦光是由調Q、倍頻的Nd：YAG雷射器產生的，其波長為532 nm，脈寬2.5 ns、重複頻率11 kHz，用顯微鏡物鏡將光束聚焦到樣品的光腔表面(光斑直徑約5 μm)，產生自由載流子，降低矽的折射率(光克爾效應)，導致光腔透射率突變。用InGaAs 雪崩二極體探測得到泵浦光隨時間變化的波形。實驗表明，此器件的開關功率低於120 fJ，開關幅度大於10 dB。開關時間因受泵浦光的脈寬所限，只表現為ns量級。
2011年，S. Sederberg等人在Optics Express雜誌上提出了一個基於金屬—電介質—金屬(MDM)型表面等離子體激元極化子(SPP)的矽納米波導環腔全光開關的設計方案。此器件是用SOI材料，在石英襯底(淺藍色)上，用電子束曝光與聚焦離子束刻蝕的方法，做出直徑為r = 560 nm 的矽波導微環共振器(深藍色)，其波導寬度為WSi = 100 nm，厚度為t = 100 nm。微環波導與直波導的間隔為gSi =25 nm。採用具有光通信波長的信號光通過直波導進入微環激發SPP波。為了用另一束飛秒雷射作為泵浦光，用以引發矽材料中的自由載流子，在矽微環外側做有一個緊貼著矽環的石英環(淺藍色)，此波導寬度也為WSiO2=100 nm，它與微環的間距為gSiO2=20 nm。最後，在兩環波導以外的石英襯底上鍍以厚度為100 nm 的銀(淺灰色)，形成MDM 型的SPP波導全開關器件，如圖9所示。
圖9 矽基MDM型SPP波導環腔全光開關器件結構
為了用泵浦光激發矽波導中的自由載流子，泵浦光的波長必須選擇高於矽的帶隙能量的波長。並採用超短脈衝雷射(如飛秒雷射)，有利於加快開關時間。為了克服矽中載流子複合時間對開關時間的限制，可在矽中摻入離子(如氧離子O+)，形成載流子的捕獲中心，使載流子複合時間縮短到1ps。因此器件的矽材料建議採用離子摻雜矽(ion-implanted silicon)，即II-Si。
該文作者還用3維FDTD方法數值模擬了在準穩態條件下兩個波導中光的傳輸規律。假設入射矽環的信號光是以1550 nm為中心波長的寬脈衝雷射，其半峰值寬度為390nm。信號光在矽環中激發SPP波，波長為1515 nm，其感受的折射率為neff，Si=3.382，傳輸損耗為4.371dB/μm。信號光在矽環波導橫截面上的電場強度分布如圖10(a)所示，其透射譜(透射率—波長關係)如圖10(b)所示。
圖10 數值模擬的橫截面上的光電場分布與傳播特性：(a)矽環波導橫截面上的電場分布；(b)矽環中SPP 波透射率隨波長的變化；(c)石英環波導橫截面的電場分布；(d)矽環中被耦合的泵浦功率隨納米環角度θ 的變化
假設泵浦光是以800 nm 為中心波長的寬帶脈衝雷射， 半峰值寬度為94 nm，泵浦光進入石英環，它在石英環波導橫截面上的電場強度分布如圖10(c)所示，此SPP 波感受的折射率為neff，SiO2=1.742，傳輸損耗為2.292 dB/μm。此泵浦光激發的SPP 波通過倏逝場進入矽環，激發矽的自由載流子，改變其折射率。矽環中滲透的泵浦光功率與0°≤ θ ≤135°範圍內環角度的關係如圖10(d)所示(選10個點計算)。可見在環角度達到30°時，有最大的泵浦功率，以後功率隨光損耗的加大而衰減，直到θ =135°，保持極小值在環內傳播。主要的載流子激發發生在θ ≤65°範圍內。
以上的討論是在波長為1515 nm時的透射率極小處。為實現全光開關，泵浦光選用脈寬10 fs 的短脈衝光，滲入矽環中，改變自由載流子濃度，因而改變波導的折射率，使SPP 波的透射譜發生向短波長方向移動。當透射率從1515 nm的谷值移動到峰值時，器件從關到開。計算表明，開關能量僅需0.88 pJ，開關時間達到3 ps。
總之，矽基納米波導微腔全光開關的設計方案有多種，現將上述5 種設計方案的全光開關中的納米波導結構和微腔總結於圖11 中。它們是：(a)脊形矽波導環腔(見第1 節)；(b)充有機分子材料的豎槽形矽波導環腔(見第2 節)；(c)充Si- nc/SiO2材料橫槽形矽波導環腔(見第3節)；(d) 光子晶體脊形矽波導FP腔(見第4 節)；(e) MDM型SPP矽波導環腔(見第5節)。
圖11 基於SOI 材料和CMOS 工藝的納米全光開關設計方案：(a) 脊形矽波導環腔；(b)豎槽形矽波導環腔；(c)橫槽形矽波導環腔；(d)光子晶體脊形矽波導F-P 腔；(e) MDM型SPP矽波導環腔
這5種矽基納米矽波導微腔全光開關研究方案有以下共同特點：
(1)探測光採用波長為通信波長(1550 nm)的連續光或寬脈衝光；
(2)為提高開關速度，泵浦光為超短脈衝光（皮秒或飛秒脈衝）；
(3)材料採用以矽為襯底的SOI 晶片，其中矽材料用氧離子摻雜矽；
(4)採用納米矽波導，結構有脊形或槽形(豎槽形和橫槽形)的；
(5)器件多採取納米矽波導構成的微共振腔(環腔或F-P 腔)結構；
(6)器件的設計可利用光子晶體或表面等離子激元技術；
(7)器件製造採用製備微米電子器件的CMOS半導體集成工藝；
(8)器件測試採用近場光學手段：掃描近場顯微鏡與納米探針。
在以上工作的基礎上，有可能在不久的將來，將全部納米光子器件(半導體雷射器、光放大器、光調製器、矽基全光開關、光探測器以及其他光波導器件)與納米電子器件共同集成在同一塊SOI 晶片上，從而實現全光計算機所需的光邏輯運算和全光通信所需的全光交換，以及全光物聯網上的全光互聯等關鍵技術。
參考文獻
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本文選自《物理》2015年第12期
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