（凝聚态物理专业论文）一维光子晶体光开关的理论研究.pdf

摘要一维光子晶体光开关的理论研究摘要光子晶体光开关器件由于在控制光的传输过程中具有传统器件所没有的优势，使得其成为未来集成光路元件的理想选择。相比其他形式的光开关，光子晶体光开关作为新型的光开关器件，在光波在开和关两个状态下的透射率相差级别、工作窗口的可控性、超快响应时间、能量损耗低、安全性等具有非常大的优势。本文针对掺杂电光材料k t p 的一维光子晶体光开关进行了研究，主要内容包括：1 、利用传输矩阵法，讨论了入射角度、中心波长确定的情况下的高低折射率的比值、不同的中心波长和光子晶体中周期数对一维光子晶体的透射谱、禁带位置和带宽的影响。2 、对掺杂缺陷的光子晶体进行了多方面的研究，包括：对于一层掺杂的形式，通过对两种不同形式的掺杂形式，讨论了改变缺陷层的光学厚度、改变缺陷层的折射率、改变缺陷层在光子晶体中的位置、改变缺陷层两侧的光子晶体周期数和复折射率对掺杂缺陷模的影响，其中可以通过改变缺陷层的折射率来设计一维光子晶体光开关；对于多层掺杂，通过对掺杂层数相同的情况下，讨论了掺杂位置的不同、选择不同的缺陷数量以及缺陷分布对于缺陷模的的影响，其中可以选择不同的缺陷数量以及缺陷分布来设计多通道光开关，将在开发波分复用系统中有十分重要的应用潜力。3 、设计了掺杂k t p 的一维光子晶体光开关器件，利用传输矩阵理论对于掺杂k t p 的一维光子晶体的传输特性行了研究。数值计算表明，对于中心波长的光波，随温度升高，缺陷模向长波方向移动，结果显示度变化对于透射率的影响不足以隔断光波。当在k t p 两端施加直流电场时，当电场大于特定值时，光器透射率降到开关阂值之下，形成光开关。当在k t p 两端施加交流电场时，输出光波的周期正好是交流电周期的一半，可以通过调节电场的频率来得到想要的频率的脉冲信号，将在未来的光器件研究中有潜在的应用价值。关键词：一维光子晶体，传输矩阵，光开关，电光材料a b s t r a e to p t i c a ls w i t c ht h e o r yr e s e a r c hb a s i n go no n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a la b s t r a c ti nt h ep r o c e s so fc o n t r o l l i n gt h et r a n s m i s s i o no ft h el i g h t t h ep h o t o n i cc r y s t a lo p t i c a ls w i t c h i n gd e v i c e sh a v em o r ea d v a n t a g e st h a nt h et r a d i t i o n a lo p t i c a ls w i t c h i n gd e v i c e s a n di ti st h ei d e a lc h o i c ef o rt h ef u t u r ei n t e g r a t e do p t i c a lc i r c u i tc o m p o n e n t s c o m p a r e dw i t ho t h e rf o r m so fo p t i c a ls w i t c h i n gd e v i c e s ，a st h en e wt y p eo fo p t i c a ls w i t c h i n gd e v i c e s t h ep h o t o n i cc r y s t a lo p t i c a ls w i t c h i n gd e v i c e sh a v et h eg r e a ta d v a n t a g e si nm a n ya s p e c t s ，s u c ha s ，t h eg r e a tc o n t r a s to ft h et r a n s m i s s i o nw h e nt h es w i t c h i n gi so na n do f f ,c o n t r o l l a b l eo ft h ef u n c t i o nr a n g e ，u l t r a f a s ts w i t c h i n gt i m e ，l o we n e r g vc o s t ，r e l i a b i l i t ya n ds oo n i nt h i st h e s i s t h ed e s i g np r o c e s so fo n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a lo p t i c a ls w i t c h i n gd o p e db vl q 卫h a sb e e nn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n g ：1 t h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u m f o r b i d d e nb a n dp o s i t i o n ，t h eb a n d w i d t hh a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i lb yu s i n gt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ，t h ea n a l y s i sd e t a i l sa r e ：t h ed i f f e r e n ti n c i d e n ta n g l e ，t h er a t i oo fh i g ha n dl o wr e f r a c t i v ei n d e x ，d i f f e r e n tc e n t e rw a v e l e n g t ha n dp e r i o d i c i t yo ft h eo n e 。d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l 2 t h ed o p e do n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l sa r ei n v e s t i g a t e di nm a n ya s p e c t ，i n c l u d i n g ：i nt h ef o r mo fo n el a y e rd o p e do n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l t h ei n f l u e n c e o ft h ed e f e c tm o d e sa r ei n v e s t i g a t e db y c h a n g i n gt h eo p t i c a lt h i c k n e s so ft h ed e f 色c tl a y e f ，t h er e f r a c t i v eo ft h ed e f e c tl a v e r ，t h ep o s i t i o no ft h ed e f e c tl a y e r , t h ep e r i o d i c i t yo ft h eo n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l so nt h es i d eo ft h ed e f e c tl a y e ra n dt h ep l u r a ln u m b e rr e f r a c t i v ei n d e x t h e r e i n o n e - d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a lo p t i c a ls w i t c h i n gc a nb ed e s i g n e db yc h a n g i n gt h er e f r a c t i v eo ft h ed e f e c tl a v e r i nt h ef o r mo fm u c hl a y e r sd o p e do n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l t h ei n f l u e n c eo ft h ed e f e c tm o d e sa r ei n v e s t i g a t e db yc h a n g i n gt h ep o s i t i o no ft h ed e f e e tl a y e r s ，t h en u m b e ro ft h ed e f e c tl a y e r sa n dt h ed i s t r i b u t i n go ft h ed e f e c tl a y e r s t h e r e i n ，o n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a lm u l t i p l ec h a n n e l e do p t i c a ls w i t c h i n gc a nb ed e s i g n e db yc h a n g i n gt h en u m b e ro ft h ed e f e c tl a y e r sa n dt h ed i s t r i b u t i n go ft h ed e f e c tl a y e r s t h i si n n o v a t i o nh a st h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nd e s i g n i n gt h ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e m 3 ak i n do fo p t i c a ls w i t c h i n gw h i c hb a s e do no n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i c北京化工人学硕十学位论文c r y s t a ld o p e db vk 1 1 pi si n v e s t i g a t e d t h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so ft h es t r u c t u r ea r es t u d i e db yt r a n s f e 卜m a t r i xm e t h o d f o rt h el i g h tw i t hac e r t a i nw a v e l e n g t h t h ed e f e c tm o d em o v e sa l o n gt h ed i r e c t i o no fl o n gw a v e l e n g t hw h e nt h et e m p e r a t u r eg e t t i n gh i g h e r , n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o ns h o w si tc a nn o tc u to f ft h el i g h t w h e nt h e 娜i sp u to nt h ed i r e c tc u r r e n tf i e l d t h et r a n s m i s s i o no ft h ed e v i c eg e t sd o w nb l o wt h es w i t c ht h r e s h o l dv a l u ei ft h ed i r e c tc u r r e n tf i e l di sa b o v eac e r t a i nv a l u e a n dt h ed e v i c eb e c o m eao p t i c a ls w i t c h w h e nt h ek t pi sp u to nt h ea l t e r n a t i n gc u r r e n tf i e l d t h ei n t e r v a lp e r i o do fp u l s e si si u s th a l ft h ep e r i o do fe x t e r n a le l e c t r i cf i e l d ，w ec a ng e tt h ep u l s eo ft h ec e r t a i nf r e q u e n c yt h a tw ew a n tb ym o d u l a t i n gt h ef r e q u e n c yo ft h ee x t e r n a le l e c t r i cf i e l d t h i so p t i c a ls w i t c hw i l lp l a yap o t e n t i a lr o l e i nt h ef u t u r eo ft h ep h o t o n i cd e v i c e s k e yw o r d s ：o n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l ，t r a n s f e r - m a t r i x ，o p t i c a ls w i t c h ，e l e c t r o - o p t i c a lm a t e r i a li i i符廿说明符号说明电流密度电荷密度中心波长中心频率磁导率介电常数入射角真空的介电常数真空的磁导率常数介质的相对介电常数介质的相对磁导率常数介质的折射率角频率晶格常数s 偏振光反射率p 偏振光反射率s 偏振光反射相位p 偏振光反射相位介质a 的折射率介质b 的折射率介质c 的折射率外加电场强度x 轴方向上旌加的电场y 轴方向上施加的电场z 轴方向上施加的电场xoooorrspxyzjp入poj opnda珞由巾毗毗eee e北京化工人学硕十学位论文1 - dp h c一维光子晶体( 1 一d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l )北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：虽日日期：鲤星盘皇虽查! 塑关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授权书。非保密论文注释：奎堂焦途塞丕属王保蜜范围乙适用奎授权越。作者签名：导师签名：日期：堡丝王釜妄鼠圣l 璺一日期：逊争上l第一章绪论1 1 论文背景第一章绪论作为光信息处理技术中十分关键的器件，光开关是利用光子与物质的相互作用来实现对光的传输进行“开 与“关 的控制作用。光开关l l 叫已经被人们研究3 0 多年了，一直是科学家关注的焦点，但是目前的光开关在通信领域已经不能满足人们的需求。光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ，简称p h q 具有光子带隙，因而基于光子晶体的光开关比传统的光开关具有更大的优越性，给光开关的研究提供了新的希望。光子晶体光开关的概念问世以后，世界上的科学家们进行了大量的理论探索与实践检验，提出了很多实现光子晶体光开关的方法。光子晶体光开关的实现，主要依赖光子与光子晶体的介质的相互作用，所以具有非线性光学效应、光敏效应、电光效应、热光效应等可以使光子晶体中周期性排列的介质的性质或者掺杂的缺陷的性质改变的方法，被应用到光子晶体光开关的研究中来。这些效应可以达到光子带隙的移动、缺陷模式的迁移、双稳态等的作用，因而能够促成光开关功能的实现。下面就这些实现方法来进行说明。1 2 光子晶体光开关的实现方法1 2 1光子带隙移动的方法第一种形式：对于未掺杂缺陷的非线性介质制成的光子晶体，若非线性介质的非线性折射率为正数，当探测光的波长位于光子带隙内的禁带内，接近于短波方向( 如果非线性介质具有负的非线性折射率，那么探测光的波长位于光子带隙内的禁带内，接近于长波方向) ，此时探测光由于处于光子禁带而不能通过光子晶体，光子晶体处于“关 的状态，同时将泵浦光的波长定位于光子晶体的导带位置，而且远离禁带的长波方向，目的是避免落入移动后的光子带隙。依据k e r r 效应，非线性介质的折射率与泵浦光强成正比，在泵浦光的作用下，由于构成光子晶体的非线性材料的折射率增大，致使光子带隙向长波方向移动( 如果非线性介质具有负的非线性折射率，那么非线性材料的折射率减小，致使光子带隙向短波方向移动) 。由于光子带隙的移动，本来处于禁带位置的探测光的波长位于光子晶体的导带，所以探测光就能够通过光子晶体，光子晶体处于“开”的状态，光开关功能得以实现。实现方法如图1 1 ，实线显示移动前的光子禁带，灰色线是移动后的光子禁带。北京化t 大学硕士学位论文透射率t探测光t波长l泵浦光图卜l 通过光子带隙的移动米实现光开关f i g 1 - 1r e a l i z a t i o no fo p t i c a ls w i t c h i n gb yt h es h i f t i n go fp h o t o n i cb a n dg a p第二种形式：光子晶体制作完成之后，它的基本性质是不可以改变的，如禁带的位置和形状。如果光子晶体的禁带的位置和形状可以通过后天改变，例如通过在光子晶体上施加电、磁场或者改变温度等这些手段来改变光子晶体的介质的折射率和晶格结构等参数，那么光子禁带的位置和形状就可以人为的进行操纵了。上述参数的变化最直接的改变就是改变光子禁带的位置，通过选择适当的参数使本来处于禁带位置的探测光的波长位于光子晶体的导带，光开关的功能得以实现。如图1 2 所示。透射率波长入射光波长图1 - 2 不用泵浦光，通过光子带隙的移动来实现光开关f i g 1 - 2r e a l i z a t i o no fo p t i c a ls w i t c h i n gw i t h o u tp u m pl i g h tb yt h es h i f to fp h o t o n i cb a n dg a p这种方法使光子带隙移动的方法由于实现方法简单，所以成功几率比较高。但是考虑到在开关时间和透射率上很难达到较高标准，所以想要达到光开关的这两个要求必须要制备非常高质量的光子晶体。1 2 2缺陷模移动的方法2第一章绪论如果在光子晶体中引入缺陷，那么就会在光子带隙中将出现缺陷模【7 d2 。所以可以通过使缺陷模移动的方法来实现光开关。第一种形式：通过缺陷模式迁移实现光开关，如图4 2 。方法与上述光子带隙i l 1 8 j移动的方法类似，当探测光的波长位于缺陷模的中心波长处，探测光是能够通过光子晶体的，光子晶体处于“开的状态，同时将泵浦光的波长定位于光子晶体的导带位置，而且远离禁带的长波方向，目的是避免落入移动后的光子带隙。依据k e r r 效应i ”2 0 l ，非线性介质的折射率与泵浦光强成正比，在泵浦光的作用下，由于构成光子晶体的非线性材料的折射率增大，致使光子带隙向长波方向移动( 如果非线性介质具有负的非线性折射率，那么非线性材料的折射率减小，致使光子带隙向短波方向移动) ，移动的的同时缺陷模也向长波( 短波) 的方向移动。由于光子带隙的移动致使缺陷模的移动，本来处于缺陷模的中心波长处的探测光的波长位于光子晶体的禁带，所以探测光就不能够通过光子晶体，光子晶体处于“关 的状态，光开关功能得以实现，如图1 3 。透射率丁探测光t 泵浦光波长图l - 3 通过缺陷模式迁移实现光开关方法一f i g 1 - 3t h ef i r s tr e a l i z a t i o nm e t h o do fo p t i c a ls w i t c h i n gb yt h es h i f to fd e f e c tm o d e第二种形式：对于掺杂缺陷的光子晶体，掺杂的缺陷介质的折射率可以随外界改变的介质，例如光敏材料、电光材料、磁光材料、非线性材料等，由于缺陷层的外界条件改变使得缺陷的折射率得到微小的改变，从而使得缺陷模发生移动，移动前处于中心波长的光在缺陷模发生移动后落入光子禁带。当透过率变化后的值达到一定的阈值时，就形成了光开关，本文所讨论的光开关工作原理就是这种原理。3北京化工大学硕士学位论文透射光t 入射光波长图1 _ 4 通过缺陷模式迁移实现光开关方法二f i g 1 - 4t h es e c o n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fa l l - o p t i c a ls w i t c h i n gb yt h es h i f to fd e f e c tm o d e实现光开关还有多种方法，包括：利用非线性频率转换【2 l 】、光子态密度、双稳态效应固刀】、波导和微腔的耦合【2 5 1 ，但是这些方法都因为制约条件比较大而限制了发展。1 3 光子晶体光开关的研究状况1 3 1 光子晶体光开关的研究历史与现状光开关最早是由s c a l a r a 2 6 在1 9 9 4 年提出来的，这种光开关的产生机理是在光子晶体中掺杂非线性介质作为缺陷，通过一个超短脉冲就可以使光波的透射率 2 7 1 有很大的变化，对制作光开关器件有启蒙性的思想。之后的一些年里，关于用不同的方法实现光子晶体光开关的研究层出不穷，主要的几种方法如下：将非线性材料作为缺陷：1 9 9 6 年t r a n 运用时域差分法计算了用两个不同频率的电磁脉冲作为探测光和泵浦光的非线性光子晶体的传输特性。2 0 0 0 年，h a c h e 等人研究了用不定型硅和二氧化硅制作的一维光子晶体的双光子吸收和k e r r 非线性幽j 的性质。文中通过用1 8 g w c m 2 峰值强度在1 7 1um 的泵浦光将折射率产生变化，在1 5l zm 用探测光监测到光子禁带。同年n a k a m u r a 等人提出了一种新颖的三阶光学非线性增强方法【2 9 1 ，这种方法是把量子点植入光子晶体，两者结合在一起形成的光开关能够产生比传统器件小一个数量级的光能量损耗。2 0 0 3 年，美国的s o i j a c i c 通过一些实验得到了非线性光子晶体装置中的光双稳结论l 删，这个结论表明这个装置比光的波长短，而且可以可以再只有几毫瓦的能量，开关时间小于1 皮秒。2 0 0 5 年，俄罗斯的t r o f i m o v 设计了一种基于有自散焦非线性的一维光子晶体高对比度全光开判n j ，光子晶体能够简化成三层，其中一层是非线性介质。2 0 0 5 年，日本的k a t o u f 等人报道了4第一章绪论用掺杂非线性染料的自旋一维聚合物光子晶体超快光开【3 引，开关时间由电压控制，而且光子晶体制作损耗很低。2 0 0 7 年，冯会顺等用非线性材料作为缺陷层引入光子晶体，对于位于缺陷态附近极窄频率范围内的入射光，通过光子晶体带隙中缺陷态的移动就可以改变其透射率，实现光开关的功能1 3 引。将液晶作为缺陷：1 9 9 6 年s h i s h i d o 等人用了向列型液晶和铁电液晶，提出了光开关和图像存储系统【卅，方法是用光致变色材料和光敏液晶队列层来使液晶队列产生变化。2 0 0 5 年，d e n n i s 在反木堆结构中填充高分子液晶，施加电场后可实现禁带位置在3 - - 4 微米波长范围内的调节，调节范围超过7 0 n m l 3 5 j 。这一结果引人注目，是因为之前的很多研究显示电场作用下液晶的介电常数变化并不十分明显，对禁带的调节效果远不能达到应用的期望值，而现在7 0 n m 的调节范围已基本可以实现禁带的控制，确定了液晶有潜力成为光开关等器件的材料来源。利用电场控制液晶分子的取向来调节光子晶体光子带隙的研究已较深入，但采用偏振光对液晶分子取向进行调制，从而调节液晶光子晶体禁带结构的技术还未见报道。2 0 0 7 年，h i r o y u k i 等通过将胆甾型液晶作为缺陷，通过紫外线的照射形成光子晶体的开和关【矧。2 0 0 8 年，谭春华等人提出利用偏振紫外光对二维三角介质柱型光子晶体的光子禁带进行调节，并对禁带结构进行了数值分析【3 7 j 。模拟结果表明：在外界偏振紫外光的影响下，液晶分子的取向发生改变，继而引起液晶折射率的变化，从而对光子晶体的光学性能进行调节。所用的方法取消了电场调制法装置中的电极和取向层，响应时间短，有利于实现光控光的全光器件。这种光子晶体波导可用于制作光开关和偏光片，在全光网络和全光计算方面具有潜在的应用价值。2 0 0 8 年，佘俊针对液晶调制速度较慢的问题，利用电磁感应透明材料设计了新型可调谐光子晶件器件【3 引。结合光子晶体平板负折射成像的特性，没有控制光作用时，设计的光子晶体平板可以对波长为1 5 5 0 n m 的点源进行亚波长成像，对波长为1 5 4 8 7 n m 的点源无法成像；施加控制光后，光子晶体平板将不能对1 5 5 0 n m的点源成像，它将对波长为1 5 4 8 7 n m 的点源亚波长成像。利用这种效应，可以开发出新型全光开关，其响应时间要远快于传统的液晶可调谐光子晶体，可以达到皮秒量级。将特异材料作为缺陷：2 0 0 4 年，胡水龙等把光学厚度为半波长的光子晶体作为光量子阱插入对称的光子晶体体系中，e m 波被强烈的局域化1 3 9 1 。局域化的光量子态依赖于缺陷材料，通过控制入射光强微小改变缺陷光子晶体材料的介电常数形成高效的多通道光开关，同时，由于母体光子晶体的对称性，使得位于中心频率处的e m 波保持高透射，如此形成了单透射、多通道的光开关。2 0 0 5 年，r k a t o u f 等利用简单的以及自旋低损耗的处理用一维光子晶体实现了两种光开关i 删，其中周期性介质层的光学厚度可以精确的控制在纳米级，通过掺杂二阶或者三阶非线性发光材料，可以移动缺陷模。2 0 0 6 年，金磊在切趾技术的基础上提出了基于边带的全光开关机制，利用切趾后边带的非线性位移，可以实现多波长信道的大颗粒度的切换。它可以利用不同的圆5北京化工大学硕十学位论文偏振光较容易的实现全光开关【4 。2 0 0 7 年，董海霞等设计了含负折射率缺陷的一维光子晶体光量子阱【4 2 1 。文中提出，由于电磁波在缺陷处的强烈局域作用，使得阱中局域态的透射率随着缺陷层折射率的变化非常明显。这样通过控制入射光强，可以微小改变缺陷介电常量而形成高效的光学开关。2 0 0 8 年，邓新华数值研究了由一个由负磁导率材料和正折射率材料交替生长形成的一维周期结构光子晶体的共振隧穿特性【矧。研究结果表明：这种周期结构的光子晶体在单负带隙内存在一个透射带，并且这种透射带在偏振光照射下对入射角不敏感，而在t m 偏振光照射下对入射角敏感，这种性质可用来制作光开关。慢光的应用：2 0 0 7 年，赵晗等研究了二维介质硅柱光子晶体线缺陷波导m j ，发现在缺陷频率为o 3 附近时群速度很小，这一特性可用于光学延迟线的设计。由于光速变慢可以使大多数的非线性效应得到加强，这对设计光子晶体光控光开关是比较有利的。2 0 0 8 年，李正华从多角度描述了光子晶体内产生慢光效应的物理机理，并给出了光子晶体内慢光效应的研究进展状况和主要研究方向，并且讨论了其在光开关方面的潜在应用，可以解决数据包竞争的现象，脉冲长度延迟足以使脉冲恢复到相应的时隙，从而达到数据再同步【4 5 1 。其他的光开关的报道：2 0 0 1 年n i h e i 等人设计了用单个三能级原子系统的全光开判4 6 1 ，其中三能级原子系统中的三维光子晶体能够显示出整个光子带隙。这个光学设计能分成两种能产生开关效应的物理过程，一种开关形式是改变原子场耦合力，另一种开关形式是控制量子干涉。2 0 0 2 年美国的l a n 等人系统的研究了光子晶体中的耦合缺陷，探究了它在构成超快全光信号处理器的应用，表明了一种高效率的全光开关机制f 刀。2 0 0 4 年美国的r e e s e 等人开发了一个纳秒光子晶体光开关i 矧，将会在设计超快光子晶体光开关和光限幅材料有所应用。2 0 0 5 ，胡小永等人实现了一种基于用聚苯乙烯制作的二维光子晶体光开关【4 9 1 ，具有高开关效率，高于6 0 的透过率和1 0 p s 的开关时间使该实验很具有创新意义。2 0 0 6 年日本的t a k i z a w a 研究了一种基于一维光子晶体中的可控缺陷模式制作的光开关【5 0 l ，报道了两种改变缺陷模的透射率的方法。2 0 0 8 年，谭春华通过控制温度场来对填充硅树脂的光子晶体的禁带进行调节【5 1 】。这种禁带可调的介质柱型光子晶体可以作为光开关和光偏振片来使用。1 3 2 光子晶体光开关仍需解决的问题目前世界上光子晶体光开关在选择材料、透射率、响应时间和能量损耗上都有了比较成熟的理论研究以及一定阶段的实验探索，而且光子晶体光开关在光通信上的优点使它一旦推出市场必定会掀起一场划时代的革命。但是就目前来说，在很多关键技术问题上，包括理论问题以及实验证明上还没有解决。6第一章绪论首先，在利用各种形式作为缺陷时，需要具有相当高的实验制备条件，由于制备条件非常高，能够开展实验研究的科研机构以及高校不多，因而限制了在实验中发现以及证明光开关现象的发展，目前许多研究还停留在理论模拟上，限制了光子晶体光开关的向前发展；其次，实践制作的光子晶体光开关的缺陷模的控制模式、品质因数、透射率、响应时间和能量损耗上都很难达到，因而很难推广性的批量性的生产。尽管有着这些急需解决的问题，但是阻挡不了光子晶体光开关向前发展的步伐，随着该领域的研究的继续深入，光子晶体光开关以其革命性的优势必将不在不久的将来革新光通信领域的技术水平，大大促进光信息处理领域的全面发展。1 4 本论文的主要工作本文的目的在于研究光子晶体的带隙特性以及关于掺杂缺陷的光子晶体光开关的研究，对光子带隙结构进行模拟，分析了掺杂缺陷的光子晶体的传输特性以及一维光子晶体光开关的形成方式。本文共分五章，具体内容如下：第一章为绪论。首先提出了光子晶体光开关的概念，阐述了光子晶体光开关的概念以及实现方法，然后对于光子晶体光开关的历史和研究现状进行了总结，最后提出了光子晶体光开关需要解决的问题。第二章系统地阐述了光子晶体的概念，以及产生的历史背景、物理基础和主要特征。介绍了几种常用的分析计算光子晶体的理论研究方法，并做了比较分析。并且概括总结了光子晶体目前国外和国内的研究状况。然后对光子带隙进行了研究，从一维光子晶体的基本周期结构出发，用特征矩阵方法讨论了一维光子晶体结构与完全光子禁带的关系，在研究中讨论了一维光子晶体材料各参数对光子晶体带隙的影响。第三章为掺杂缺陷的光子晶体的传输特性的研究。通过数值模拟计算分析了光波在掺杂缺陷的一维光子晶体中的传播规律。与不包含缺陷的结构相比，在光子禁带中形成了缺陷模。缺陷模的位置、数目和透射率等特性不仅和缺陷的掺杂方式有关，还和缺陷的光学厚度、折射率、所在位置、缺陷两侧晶体的周期数、缺陷层折射率的形式以及缺陷的个数有关。第四章为光子晶体光开关的研究。设计了掺杂电光材料k t p 的一维光子晶体光开关，介绍了电光材料的基本性质，然后利用传输矩阵理论对于掺杂k t p 的一维光子晶体光开关的传输特性进行了研究。第五章为结论。总结了本文所研究的掺杂缺陷的光子晶体的传输特性以及一维光子晶体光开关的原理、优缺点以及发展趋势，并对光子晶体光开关未来的研究方向给予了展望。7第二章一维光了晶体带隙的研究2 1 引言第二章一维光子晶体带隙的研究1 、光子晶体的概念和特性半个世纪以来，电子器件迅猛发展并广泛应用于生活和工作的各个领域，它尤其促进了通信和计算机产业的巨大发展。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子在介质中的传播速度远远高于电子在电路中的传播速度，没有相互作用，光子可以携带的信息量能力也远远大于电子。近年来，大量实验表明，确实存在这样一种材料，就是光子晶体。在过去的十年中，光子晶体【5 2 - 5 7 ，即光子带隙材料成为微光学和量子物理中一个飞速发展的领域，它是八十年代末提出的新材料，它的一大特点是可以控制光子的传播。众所周知，在半导体中，由于原子排布的晶格结构产生的周期性电势场的作用，使得在其中运动的电子的色散关系形成能带结构，在能带之间存在带隙，成为禁带，正因为禁带的存在，人们可以按照自己的意愿设计器件来控制电子的流动。同样的思想可以用来在光子晶体中控制光子的流动。光子晶体的周期性结构使得在其中传播的光波的色散曲线形成带状能带结构，成为光子能带( p h o t o n i cb a n d s ) ，能带之间的能隙被称为光子带隙( p h o t o n i cb a n dg a p 简称p b g ) ，频率处在光子带隙内的电磁波不能够在介质排列的周期性方向上透过光子晶体，因此光子晶体也被称为光子半导体1 5 8 1 。由于光子晶体中光子带隙的存在，产生了许多崭新的物理性质，也带来了广阔的应用前景，开辟了光子晶体研究与应用的崭新领域，为人们实现像控制电子流动一样控制光子传播提供了有效的方法。光子晶体的另一个重要特征是光子局域【5 2 1 。j o h n 在1 9 8 7 年提出：在一种精心设计的介电材料超晶格( 相当于现在所称的光子晶体) 中，光子呈现出很强的局域。如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，则在其禁带中会出现频率极窄的缺陷态，和缺陷态频率吻合的光子有可能被局域在缺陷处，一旦其偏离缺陷处将迅速衰减，这就为人们提供了一种控制或“俘获光的方法。光子晶体中的缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷仿佛是光被全反射墙完全包裹起来，利用点缺陷可以将光“俘获 在某个特定的位置，光无法从任何方向向外传播，相当于一个微腔；在垂直于线缺陷的平面上，光被局域在线缺陷位置，只能沿线缺陷方向传播，这种局域比波导或利用全反射原理制成的光纤更加彻底；面缺陷类似理想镜面，可以用来制作高性能全反射镜。2 、光子晶体的分类按照组成光子晶体的介质排列方式的不同，可以将其分为一维、二维和三维光子8北京化工人学硕士学位论文晶体。所谓一维光子晶体是指介质频率在空间一个方向上具有周期性分布的光子晶体材料，相当于不同介质组成的多膜材料。简单结构的一维光子晶体通常由两种介质交替叠层而成，在垂直于介质层平面方向上介电函数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质层平面方向上介点函数不随空间位置变化。实际上，光学中常见的布拉格反射镜就是一种简单的一维光子晶体。相对而言一维光子晶体在结构上最简单，易于制备。最初人们提出，由于只在一个方向上具有周期性结构，一维光子晶体的光子带隙只可能出现在这个方向上。后来j o n a n o p o u l o s 从理论上指出一维光子晶体也可能具有全方位的三维带隙结构。1 9 9 8 年w i n n 等人设计出能反射任意入射光的一维光子晶体反射镜。因而用一维光子晶体材料可能制备出二、三维材料制作的器件。二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是由介质杆平行而均匀的排列组成的。这种结构在垂直于介质杆的方向上介电函数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质杆的方向上介电函数不随空间位置而变化。由介质杆阵列构成的二维光子晶体的横截面存在多种结构，如矩形、三角形、和石墨的六边形结构等。截面形状不同，获得的光子频率禁带宽窄也不一样。矩形的光子频率禁带范围较窄，三角形和石墨结构的光子频率禁带范围较宽。为了获得更宽的光子频率禁带范围，还可以采用同种材料但直径大小不同的两种介质柱来构造二维光子晶体。二维光子晶体可以通过精密机械加工法、电子束刻蚀等方法制作。光子晶体光纤和光子晶体波导就是二维光子晶体的特例。三维光子晶体是指在三维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料。三维光子晶体具有全方位的光子带隙，即落在光子带隙中的光在任何方向都被禁止传播。这一特性具有极其重要的应用前景。y a b l o n o v i t c h 创造出了世界上第一个具有完全光子频率带隙的三维光子晶体，它是一种由许多面心立方体构成的空间周期性结构，也称为钻石结构。三维光子晶体的制作方法有精密机械加工法、自组装法、模板法、全息照相法等。不过三维光子晶体的制作相对来说比较复杂，对材料和设计加工都有很高的要求。按照构成材料的非线性性质的不同，可以将其分为线性光子晶体和非线性光子晶体 6 3 - 6 5 1 。非线性光子晶体的能带可以随着入射光强的改变而变化，利用这个特性可以使基于光子晶体结构的光学器件达到动态控制目的，为全光器件和全光网络的实现提供有效的实现手段。3 、光子晶体的应用光子晶体的应用主要基于光子晶体的能带结构中存在的光子带隙。频率处在光子禁带内的光波不能在光子晶体中传播，因此光子晶体可以于制作全反射镜、谐振腔、滤波器、偏振器、波导、波分复用、光开关等。近期的应用主要集中在高品质反射镜的制造、改善发光二极管的效率、实现低阈9第二章一维光子晶体带隙的研究值激光振荡、高品质因数微谐振腔的制造、宽带带阻滤波器的制造、极窄带选频滤波器的制造、光开关、光子存储器、光子限幅器以及光子频率变换器等诸多方面，前景非常广阔。这些工作可以归结在以下几个方面：( 1 ) 、高效率低损耗反射镜 6 6 1由于光子晶体中不允许光子频率处于禁带范围内的光子存在，所以当一束光子禁带频率的光子束入射到光子晶体上时，将会被无吸收地全反射回去。利用光子晶体的这一点可以制造出高品质的反射镜。特别是短波区域，镀膜反射镜对光波的吸收过大，而介质则对光波的吸收非常小。因此用介质材料做成的光子晶体反射镜具有极小的损耗。另外由于金属具有趋肤效应，使金属反射镜对光波的吸收集中在极薄的表层内，使反射镜的表层温度变高致使反射面变形，反射质量下降。而使用光子晶体的反射镜，由于它对光波的吸收分散在反射镜内几个波长厚度的范围内，所吸收的热量相对也比较分散，由于吸收引起的光子晶体反射面的温度上升比金属反射镜面的温度上升要小得多，这样的光子晶体反射镜的表面就不会被烧坏。( 2 ) 、光子晶体波导【d 7 】光波导是光电集成回路中光子器件间的导线，传统的波导可以支持直线传播的光，但在拐角处会损失能量。理论计算表明，光子晶体波导可以改变这种情况，光子晶体波导不管是对直线路径还是对转角都有很高的效率。如果在光子晶体中引入缺陷，频率落在缺陷态中的光波将呈现很强的局域念，其传播方向是受严格控制的，如果我们引入的是一个线缺陷，这种缺陷态就可以作为种电磁波波导。因此，我们可以通过光子晶体的组合设计制造出多种符合要求的光波导。( 3 ) 、光子晶体天线1 6 8 j光子晶体天线是光子晶体结构在微波段的一种应用，由于其制作方法比较简单，所以其应用前景非常的广，在军事和民用方面都有很多重要的应用。如卫星电视、雷达等都广泛应用，而与光子晶体天线对应的传统的微波天线制备方法是将天线直接制各在介质基底上，这样就导致大量的能量被天线基底所吸收，因而效率很低，同时造成基底的发热。光子晶体天线给解决这一问题提供了相当有效的方法。针对某一微波频段可以设计出需要的光子晶体，并让该光子晶体作为天线的基片。因为此微波波段落在光子晶体的禁带中，因此基底不会吸收微波，这就实现了无损耗全反射，把能量全部发射到空中。目前基于光子晶体的高方向性系数、高增益和超宽频带的天线和列阵的研究，基于光子晶体的小尺寸隐蔽天线的研究以及超方向性的光子晶体共振天线的研究都己经取得了一定的成绩，光子晶体天线势必成为光子晶体领域的又一大优点。( 4 ) 、制作高效发光二极管、低阈值激光器在光子晶体中引入缺陷，可以产生谐振腔，可以抑制或增强光子晶体的自发辐射，利用这一特性，可以增强某一频率模式的光辐射，而抑制周围附近频率模式的光，由1 0北京化工大学硕上学位论文此可制得单色性和方向性都很好得高效发光二极管。同样，在激光器中引入光子晶体可以实现低阈值振荡，当光子晶体的禁带频率和激光工作物质的自发辐射频率一致时，激光器中的自发辐射被抑制，这样以来，因自发辐射引起的损耗会大大降低，从而使激光器的阈值变得很低。( 5 ) 、光子晶体宽带带阻滤波器和超窄带滤波器利用光子晶体的光子频率禁带特性可以实现对光子的极优良的滤波性能。这是由于光子晶体的滤波带宽可以做得比较大，钻石结构的光子晶体的滤波带宽可以做到中心工作频率的2 0 ，而由g u p t a 等人所提出的金属介质复合型光子晶体可以将从超低频直到红外波段的电磁波完全滤掉。这种大范围的滤波作用利用传统的滤波器是难以实现的。另外研究发现，当光子晶体中的某些单元被取消而造成缺陷时，就会使得光子晶体的光子频率禁带出现一些“可穿透窗口 ，即光子频率禁带内的某些频率会毫无损失地穿过光子晶体。光子晶体的这一特性可以用来制作高品质的超窄带选频滤波器。( 6 ) 、光子晶体密集波分复用器1 6 9 应用光子晶体波导谐振腔波导之间的相互作用，可以构造高品质的极窄选频滤波器，基于这个原理可以设计结构紧凑的光子晶体密集波分复用器。近年来人们发现了光子晶体还具有超棱镜现象，可以将波长相差l n m 的两种光波的分离角度达5 0 0 ，由此提出了另一种光子晶体密集波分复用器模型。( 7 ) 、光子晶体光开关l 7 0 j光子晶体光开关是一种重要的集成光子器件，它基于光子带隙特性可以用多种方法实现对光的传输过程进行“开 和“关的控制作用，在超快速信息处理的光通讯等领域都有非常重要的应用前景，也是本文的研究内容。4 、国内外发展现状自从光子晶体的概念提出后的十几年里，光子晶体已经引起了世界各国研究机构的关注，我国自9 0 年代中期以来也有一些初步的研究工作。十多年来相关理论与试验研究均取得了不少重要进展，特别是在美国，不仅最早提出光子晶体的概念，而且开