（光学专业论文）一维光子晶体全光开关和全光逻辑门的研究.pdf

摘要 一维光子晶体全光开关 和全光逻辑门的研究 专业：光学 博士生：邹慧 导师：汪河洲教授 摘要 光子晶体对光子的操控已成为当今一非常重要的研究方向。其中，全光开关 和全光逻辑门是全光信息处理中操控光子的最典型和最重要的光子器件，受到了 广泛的重视。目前提高开关灵敏度和响应速度是全光开关研究中期望解决的两大 关键问题。 本文主要研究一维光子晶体全光开关的灵敏度的提高、阈值的降低和稳定性 的保障。主要物理方案如下： 在光子带隙中获得一个或多个锐透射峰和一个矩形透射峰，且这些峰对应的 缺陷模频率的电场都局域在相同的缺陷层。用矩形峰作为控制光通道，锐透射峰 作为信号光通道： ( 1 ) 缺陷层折射率的微量改变就可使锐透射峰的共振频率发生明显改变而实现高 灵敏地控制信号光的通断；而且矩形透射峰确保了在缺陷层折射率微量改变 时该缺陷模中某些频率的电场局域增强的比例保持不变，可实现稳定控制。 ( 2 ) 矩形峰内频率在缺陷层内的强局域使得控制光在缺陷层的非线性效应大大增 强，从而大大降低了开关阈值。 根据以上提高光开关灵敏度、降低开关阈值的机制，本论文设计了系列高 摘要 灵敏度低阈值全光开关和全光逻辑门器件，它们的结构和工作机理的理论分析和 数值计算相结合的研究结果综述如下： ( 1 ) 提出了一种含耦合f a b r y p e r o t 腔和周期性结构的一维光子晶体异质结结构， 这种异质结的高反射带中有一耦合腔的矩形透射峰和一新型的很锐的异质结 透射峰：而且耦合腔模和异质结模的透射频率的光的电场都将强局域在相同 的缺陷层。以上述物理特性作为单通道全光开关的机理：以异质结模作为信 号光通道，以耦合腔模作为控制光通道，采用较低强度的泵浦光激发祸合腔 模来改变缺陷层的折射率，不仅能灵敏的改变异质结模的频率从而控制信号 光的通断，而且能确保在缺陷层折射率改变时耦合腔模中的控制光反射和透 射恒定，使控制光的电场局域强度不变从而实现稳定的控制。耦合腔模内频 率在缺陷层内的强局域使得控制光在缺陷层的非线性效应大大增强，从而大 大降低了开关闽值。此机制设计的光开关可使所需最小折射率改变量低至 l o 4 ，最小控制光泵浦强度低至2 0 m w m m 2 。控制光和信号光之间的频率间 隔在很宽的频率范围内可按需设计。此外，当信号光斜入射、控制光正入射 时，又形成偏振全光开关，它能对信号光的两个偏振态单独控制；另外在同 一结构还可实现控制光和信号光之间的频率间隔随着信号光入射角度的改变 在很宽的频率范围内连续可调。 ( 2 ) 当两个缺陷间距较小时其相互作用将使异质结模分裂，称劈裂模。已报道的 是对称腔，我们设计了非对微腔耦合的结构，同时得到劈裂模和耦合腔模， 且两模的透射频率的光的电场都将强局域在相同的缺陷层。基于此物理思想， 把本来需要两个不同对称微腔结构光子晶体才能获得的两个劈裂共振模和一 个耦合腔共振模，变成用同一光子晶体结构( 由非对称微腔构成) 就可在光 子禁带中同时获得这三个共振模。以此原理和结构我们构建了低阈值高灵敏 度且控制性能稳定的双通道全光开关、七种全光逻辑门( 与门、非门、或非 门、异或门、与非门、同或门、或门) 和全光半加器、全光半减器。 ( 3 ) 将上述成果中利用耦合f a b r y p e r o t 腔得到对称耦合腔模的方法，以及利用非 对称腔耦合得到劈裂模的方法相结合，在光子禁带中同时获得电场都局域在 相同的缺陷层的一个对称腔耦合模和多个劈裂模，基于此原理和结构设计出 一维光子晶体多通道低阈值全光开关。 关键词：光子晶体、异质结、微腔、共振模、光开关、光逻辑门。 u a b s t r a c t 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 a l l o p t i c a ls w i t c h e sa n dl o g i cg a t e s m a j o r ：o p t i c s a t h o r ：h u iz o u s u p e r v i s o r ：p r 吐h e z h o uw a n g a b s t r a c t p h o t o n i cc r y s t a l s ( p c s ) i nw h i c ht h em o t i o n so fp h o t o n sa r ec o n t r o l l e dh a v e b e c o m et oa ni m p o r t a n ts u b j e c to fr e s e a r c h i nt h i sr e s e a r c h ，a l l o p t i c a ls w i t c h e sa n d a l l o p t i c a ll o g i cg a t e s ，w h i c ha r ek e yc o m p o n e n t sf o ra l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g ， h a v ea t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n r e d u c i n gr e s p o n s et i m ea n d i n c r e a s i n g t h e s e n s i t i v i t ya r et w oi m p o r t a n tp r o b l e m ss h o u l db er e s o l v e d 。 w es y s t e m a t i c a l l y s t u d yh o wt oi n c r e a s et h es e n s i t i v i t y ，r e d u c et h ep u m p i n t e n s i t ya n dg u a r a n t e et h es t a b i l i t yo 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 la l l o p t i c a l s w i t c ha n da l l o p t i c a ll o g i cg a t e s t h em a j o rm e c h a n i s m sa r ea sf o l l o w ： o b t a i no n eo rm o r es h a r pt r a n s m i s s i o nb a n d sa n do n er e c t a n g u l a rt r a n s m i s s i o n b a n di nt h eb a n dg a p t h ee l e c t r i cf i e l d so fd e f e c tm o d e sc o r r e s p o n d i n gt ot h e s e t r a n s m i s s i o nb a n d sa r el o c a l i z e di nt h es a m ed e f e c t r e g i o n u s et h er e c t a n g u l a r t r a n s m i s s i o nb a n da st h ec o n t r o lc h a n n e l ，a n dt h es h a r pt r a n s m i s s i o nb a n da st h e s i g n a lc h a n n e l ： c h a n g et h er e f r a c t i v ei n d e xo fd e f e c t sc a ns e n s i t i v e l ys h i f tt h er e s o n a n tf r e q u e n c y 0 ft h es h a r pt r a n s m i s s i o nb a n d sa n dt h u ss i m u l t a n e o u s l yc o n t r o lt h ep r o p a g a t i o n o fs i g n a l s ；s o m ef r e q u e n c i e sw h o s et r a n s m i s s i o na n de l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o na r e q u i t es t a b l e a st h er e f r a c t i v ei n d e xo fd e f e c t sa r e c h a n g e db e c a u s eo ft h e i i i a b s t r a c t r e c t a n g u l a rt r a n s m i s s i o nb a n d t h i sc a ng u a r a n t e es t a b l ec o n t r 0 1 ( 2 ) s i n c et h ee l e c t r i cf i e l do ft h er e c t a n g u l a rt r a n s m i s s i o nb a n di sh i g h l yl o c a l i z e d s t r o n g e n h a n c e m e n to fo p t i c a l n o n l i n e a r i t yi n t h ed e f e c t sc a nb ee x p e c t e d ； c o n s e q u e n t l yt h ep u m pi n t e n s i t yc a l lb es t r o n g l yr e d u c e d a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s m sm e n t i o n e da b o v e ，w ed e s i g nas e r i e so fa l l o p t i c a l s w i t c h e sa n da l l o p t i c a ll o g i cg a t e sw i t hh i g hs e n s i t i v i t y , l o wp u m pi n t e n s i t ya n dh i g h s t a b i l i t y t h e i rs t r u c t u r e s ，p r i n c i p l ea n dr e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l s t i m u l a t i o n sa r es h o w e da sf o l l o w s ： ( 1 ) w ep r o p o s eah e t e r o s t r u c t u r e sc o n s t r u c t e db yc o u p l e df a b r y p e r o tc a v i t i e sa n da p e r i o d i cs t r u c t u r e i nt h eb a n dg a po ft h eh e t e r o s t r u c t u r e ，t h e r ei sah e t e r o s t r u c t u r e m o d ea n das y m m e t r i cc o u p l e d - c a v i t y m o d ew h o s ee l e c t r i cf i e l d sa r el o c a l i z e di n t h es a m ed e f e c tl a y e r b yu s i n gt h eh e t e r o s t r u c t u r em o d ef o rt h es i g n a lc h a n n e l a n dt h es y m m e t r i cc o u p l e d c a v i t y m o d ef o rt h ec o n t r o lc h a n n e l ，w ee x c i t e dt h e s y m m e t r i cc o u p l e d c a v i t y - m o d ew i t hl o w i n t e n s i t yp u m pb e a mt oc h a n g et h e r e f r a c t i v ei n d e xo f t h ed e f e c tl a y e r , s ow ec a ns e n s i t i v e l ys h i f tt h ef r e q u e n c yo f t h e h e t e r o s t r u c t u r em o d et h u sc o n t r o lt h ep r o p a g a t i o no fas i g n a l b e a m ，a n dt h e e l e c t r i cf i l e dd i s t r i b u t i o n so fs o m ef r e q u e n c i e si nt h es y m m e t r i cc a v i t ym o d ea r e n o tc h a n g e dd u r i n gt h ec h a n g eo ft h er e f r a c t i v ei n d e xt or e a l i z es t a b l ec o n t r 0 1 f o r t h ee l e c t r i cf i e l do ft h es y m m e t r i c c a v i t ym o d ei sh i g h l yl o c a l i z e d ，s t r o n g e n h a n c e m e n to fo p t i c a ln o n l i n e a r i t yi nt h ed e f e c tl a y e rc a nb er e a l i z e dt or e d u c e t h ep u m pi n t e n s i t y w en u m e r i c a l l yd e m o n s t r a t ea l l - o p t i c a ls w i t c h i n ga tt h ep e a k p u m p i n gi n t e n s i t yl o w e rt h a n2 0 m w m m 2 m o r e o v e r , i ti so fg r e a tb e n e f i tt ot h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o nt h a tt h ef r e q u e n c yi n t e r v a lb e t w e e nt h et w or e s o n a n tm o d e s i sa d j u s t a b l ei naw i d er a n g e w h e nu s i n gn o r m a li n c i d e n tf o rc o n t r o lb e a ma n d o b l i q u ei n c i d e n t f o rs i g n a lb e a m ，o n ec a nr e a l i z e p o l a r i z a t i o n s w i t c h t h e f r e q u e n c yi n t e r v a l s b e t w e e nt h ec o n t r o la n d s i g n a lb e a m sa r ec o n t i n u o u s l y a d j u s t a b l ei naw i d er a n g eb yc h a n g i n gt h ei n c i d e n ta n g l eo ft h es i g n a lb e a m ( 2 ) w h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w od e f e c t si sc l o s e ，t h ed e f e c tm o d e so ft h e mw i l l o v e r l a p ，a n dt h eh e t e r o s t r u c t u r em o d ew i l ls p l i tt ot w om o d e s ，w h i c hc a nb ec a l l e d a ss p l i tm o d e s w ec o u p l et w oa s y m m e t r i cc a v i t i e st oo b t a i nt w os p l i tm o d e sa n d t v a b s t r a c t o n ec o u p l ec a v i t ym o d ew h o s ee l e c t r i cf i e l d sa r el o c a l i z e di nt h es a m ed e f e c t r e g i o n b a s e do nt h i sm e c h a n i s m ，w ec o n s t r u c t e da l l o p t i c a ld u a l c h a n n e ls w i t c h ， s e v e nk i n d so fl o g i cg a t e s ( i n c l u d i n ga n d ，n o t , x o rn x o r ，n a n d ，n o ra n d o r g a t e s ) ，h a l f - a d d e ra n dh a l f - s u b t r a c t e r ( 3 ) b yc o m b i n i n gt h em e c h a n i s mo fo b t a i n i n gt h ec o u p l e d c a v i t y - m o d eb yc o u p l e d f a b r y p e r o tc a v i t i e sa n dt h em e c h a n i s mo fo b t a i n i n gt h es p l i tm o d e sb yc o u p l i n g a s y m m e t r i cc a v i t i e s ，w eo b t a i no n es y m m e t r i cc a v i t ym o d ea n ds o m es p l i tm o d e s w h o s ee l e c t r i cf i e l d sa r el o c a l i z e di nt h es a m ed e f e c t s a n dt h i sc a nb eu s e dt o r e a l i z em u l t i c h a n n e la l l o p t i c a ls w i t c h e s k e yw o r l 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 s ，d e f e c t sm o d e s ，a l l o p t i c a ls w i t c h ， a l l o p t i c a ll o g i cg a t e s v 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，本论文不包含其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明 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。 学位论文作者签名：粥钾燕 日期：”亨年6 月1 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复 制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 它方法保存学位论文。保密的学位论文在解密后使用本规定。 学位论文作者签名：智慧 日期：铺年月j 日 刷雌锄，刃黟计 & 疑彬嗟专茜之蔷j1 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师 指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学 院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开 发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的 书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部 署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名：钾琶 日期：埘j 第l 章绪论 第一章绪论 1 1 光子晶体的概念及其应用 1 9 8 7 年，美国b e l l 实验室的e y a b l o n o v i t c h 和p r i n c e t o n 大学的s j o h n 分 别在讨论如何抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域时，各自独立的提出 了“光子晶体”( p h o t o n i cc r y s t a l ) 这一新概念 1 ，2 】。1 9 9 0 年美国i o w a 州立大 学a m e s 实验室的k m h o 等通过计算验证金刚石结构存在光子带隙 3 】。 根据a m e s 研究小组的理论设计思路，1 9 9 1 年y a b l o n o v i t c h 制作出第一个 具有完全光子带隙的结构【4 】，光子带隙在1 0 g 1 3 g h z ，理论计算和实验测量的 结果吻合得非常好，进而首先在微波波段用实验验证了光子禁带的存在。众所周 知，在半导体材料中，由于周期势场作用，电子会形成能带结构，带与带之间可 能有带隙 5 】。光子晶体的情况也非常类似。如果将具有不同折射率的介质在空 间按照一定的周期排列，当空间周期与光波长相当时，由于周期性所带来的布拉 格散射，它能够在一定频率范围内产生“光子带隙”( p h o t o n i cb a n dg a p ，p b g ) ， 把拥有光子带隙性质的材料称为“光子晶体”或“光子带隙材料”【l ，2 】。如果 光子能量落在光子禁带频率范围内，则不能在介质中传播。 按介电常数的空间周期性变化及光子带隙出现的空间维度，光子晶体可分 为一、二、三维光子晶体 6 ，7 】，见示意图1 1 ( a - c ) 。 ( a ) 圆圈圃 ( b ) 图1 1 ：一、二、三维光子晶体示意图。 ( c ) 第l 章绪论 率禁带范围内的光入射到光子晶体上时，这束光将会被全反射回去。利用这一点 可以制造出高品质的反射镜。以三维光子晶体为衬底的小型微波天线反射器是 光子晶体的第一个应用【5 2 】。由于光子晶体完全反射了原来进入衬底而损耗的能 量，因此该反射器大大提高了天线的发射效率。 宽带滤波器和极窄带选频滤波器 光子晶体的光子带隙能有效阻止光的传播，且它的频率范围可以设计得非常 宽，因而可以作为性能优异的宽带滤波器【4 ，5 3 ，5 4 】。如果在光子晶体中引入 缺陷，在光子带隙内会出现频率范围极窄，透射率极高的透射峰，利用该透射峰 可以设计高品质的极窄带的选频滤波器。实际上，属于一维光子晶体的传统膜系 结构早已被广泛用于滤波器的设计 8 】。在二维光子晶体中，人们利用缺陷参数 的不同还能实现不同频率的光在不同的位置进行分离 5 5 1 。 光波导器件 5 6 ，5 7 】 传统的光导纤维是利用光在两种不同介质界面上的全反射原理传输光的。 在大角度的折弯处，将损失大部分的能量。而在光子晶体中引入线缺陷，频率在 光子带隙内的光将被限制在这一线缺陷内部传播，这是一种新型的导光机制，能 量损耗极小。其优异的导光性能，使光子晶体在未来的全光集成回路中将起到关 键性作用。 光子晶体微谐振腔 5 8 ，5 9 】 微谐振腔的制作对光集成有着重要的意义，近年来受到了广泛的关注。但 由于其尺寸特别小，用传统的谐振腔制作方法来制造微谐振腔是相当困难的。而 且在光波波段，传统的金属谐振腔的损耗相当大，品质因数值很小。而光子晶体 微谐振腔的品质因数可以做得很高，是采用其它材料制作的谐振腔无法达到的。 光子晶体光纤 传统的光纤是利用包层与纤心材料之间折射率的差别，将光局限在纤，i i , 中 传播。而光子晶体光纤则是将几百个氧化硅棒和氧化硅毛细管排列在一起构成二 维光子晶体，利用其具有的光子晶体带隙特性，使得光子晶体光纤( 传输光纤) 中的光在空隙内传播 6 0 ，6 1 】。由于光子晶体光纤中的导光介质是空气，因此其 不仅具有宽的导光范围，还大大的减少了散射、色散和非线性等损耗的影响，从 而提高了导光效率。此外，由于光在光子晶体芯中以极高的光密度传播，因此， 4 第l 章绪论 光子晶体光纤还可用来研究光与物质的各种非线性相互作用，例如，超连续、兆 瓦级的光孤子的产生等 6 2 】。 非线性光子晶体器件 非线性光子晶体是采用非线性介电常数材料在空间周期性排列而成的。目前 在非线性光子晶体器件方面己开展了一些研究工作。t t r u i i 小组已在实验上观 察到了非线性光子晶体的二次谐波产生现象 6 3 】。由于光子晶体对于光的可操控 性，以及光子有着电子所没有的优势：速度更快，没有相互作用等，光子晶体被认 为是未来的半导体，它可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光电子器件， 对非线性光子晶体光开关的研究将会推动光子晶体光开关在全光集成和光通信 方面的应用。 总而言之，由于光子晶体的特点决定了其优越的性能。综合利用光子晶体 的各种性能，还可以有其它更广泛的应用，如：实现自准直 6 4 、负折射效应 6 5 ， 6 6 等等。另外，如果用金属、半导体与低介电常数材料组成光子晶体以及无序 光子晶体，则都会因为其特殊结构而产生一些特殊性质，从而能够制造出一些新 型光学器件。类似于半导体材料的发展极大地推动了电子学和电子产业的发展， 光子晶体的开发研制将极大地推动光子学和光子产业的发展，它极有可能取代大 多数传统的光学产品，它将导致未来通讯、计算机产业的革命性的变革，因此其 前景和即将对经济、对社会发展产生的影响是不可估量的。 l 。2 一维周期结构中的光传输特性的传输矩阵法分析 对于一维结构，人们通常采用传输矩阵法来研究结构内的光传输行为。该方 法不仅能具体给出一维周期结构的色散关系显式，还能分析一维准周期、非周期 结构内的光传输特性。因此，传输矩阵法是研究一维层状结构中电磁场特性的最 有效的方法之一。 假定电场传播面为弦平面( 如图1 1 ) ，且z 方向为一维层状结构的法线方向， 则电场可以表示为： e ( y ，z ，) = e ( z ) p 硝一b ，( 1 2 1 ) 第l 章绪论 其中尼。为波矢后在j ，方向上的分量，其在电场传播过程中保持不变。每个均 匀层内的电场可表示成入射平面波和反射平面波之和： ( 少，z ，f ) = p 一f ：+ p f f ：k 耐一。，川( 1 2 2 ) 第优层第脚+ l 层 第z 界面 第z + l 界面第z + 2 界面 图1 1 一维层状结构示意图 式中，口。和既是这两个波的复振幅，够是第m 层内波矢在z 方向上的分量， 它们可以表示为： 掣= 一衫 ， 其中，以。为第耽层介质的折射率。 ( 1 - 2 3 ) 下面我们讨论第脚层两边光场之间的关系。在t e 波( e 垂直于弦平面) 的 6 第l 章绪论 情况下，假设在第，界面左边卿第川层的右端，的光场用列向量( 瑟) 来表示， 按照界面处的连续性条件，它与第，界面右边的光场滔 之间的关系为： 口= + 簖骘= 口黟+ 6 j ，i i l 一警i 戛l 鬻一；i 蓬鬟一黍；一；积! 蠢一翼l = 5 ；d 遵= 蓁i 涿淮隧鞘谪滋黼谨溶搿； 羹鬻霆z 墓磬一雾蓁l 鍪耄蓉 荔霸为蠡般羹创断弛霪i 霎一孽薹塑孽羹； i 一耋一要l 蓁一薹 态密度较大。合适的选择缺陷的 结构参数，不同的缺陷态之间可能会产生耦合，形成较宽的缺陷带 4 6 1 。 另外， 由于能带边缘的态密度较低，一定浓度缺陷的引入会导致光子a n d e r s on 局域【2 】， 同时能带边缘光子极低的群速度，都十分有利于实现对光子的操纵。 光子晶体对电磁波传播的这种特殊影响，使其具有很多重要的应用。特别是 由于光子带隙于缺陷态位置、宽度等性质都通过光子晶体的结构参数来在一定程 度上进行调整，人们可以方便的设计出符合要求的光子晶体能带结构，光子晶体 的许多重要应用也因此逐渐被发现。以下简单介绍光子晶体为人们普遍认可的一 些应用： 高效率发光二极管 第1 章绪论 彳。：( 喜：? ) ( p ：”p 一，品d 。 ( 毒一：? 一1 ，( 1 - 2 - 1 2 ) 只与第m 层介质的材料参数( 折射率、厚度) 有关，被称为特征矩阵。 由( 1 2 1 i ) 式可知，任一层状介质两边的光场可用2 x2 的矩阵联系起来。 每一介质层的参数( 折射率、厚度) 决定了该介质层的特征矩阵，将一维层状结 构中每一介质层的特征矩阵相乘，即可得到总结构两边光场之间的关系，从而得 到结构的透射率、反射率以及结构内的光场分布等光学性质。 i 3 一维光子晶体微腔 在周期结构中引入缺陷可以形成微腔，如f a b r y p e r o t ( f p ) 腔，其结构可表 示成( i l l ) 5 2 h ( 5 ，其中每层敞) 的光学厚度为中心波长( 相应于中心频率石) 的l 4 ，折射率分别为n h 和n l ，s 为周期数，( 2 1 - 1 ) 为缺陷层，其光学厚度为l 2 中心波长。在f - p 的禁带中将会出现一个电场局域在缺陷层的缺陷态。微腔和耦 合微腔在很多方面得到应n 6 7 ，6 8 】。耦合微腔由两个或多个f - p 腔相互耦合而 成。 下面介绍一维光子晶体微腔中的缺陷态 6 9 1 。 电磁波在光子晶体微腔中满足m a x w e l l 方程 一v 2 e ( ，) ：占( ，) 等e ( ，)( 1 3 1 ) 可以将( 1 3 - 1 ) 改写为以下形式： i v z 一撕) 譬k ) ：譬即) ( t - 3 - 2 ) lc 。i c 。 其中z ( r ) = 8 ( r ) 一l 首先考虑一个缺陷的微腔，这样的微腔有一个本征频率为缈的缺陷模 ，( ，) ，假定e ，( ，) 为实数且是归一化的量，也就是说： 第1 章绪论 = ，如，( ，一r ) 一z ( ，) k ( ，) e 。( ，| 一尺) 办 ：= j ) e ，( ，一r ) 咖 ( 1 3 一1 0 ) ( 1 3 一1 1 ) 山由单一缺陷态决定， 和以由两个缺陷态的相互交迭程度决定，因此， - 把它们称作耦合系数。将( 1 3 - 7 ) 的两边乘以e ( 尸一r ) ，然后对其空间积分，可得 c 。( 等以+ 等叫+ c ：( 等+ 等山 = c 。等以+ c ：等 m 4 m ， 从( 1 3 8 ) 和( 1 3 1 2 ) 可以得出，两个劈裂的缺陷态频率为 叩q ( 警 i m 3 m ， 一( 瞥厂 当两个缺陷之间的间距非常接近时，两个缺陷态的交迭和相互作用很强， 因此，单一的缺陷模劈裂为两个。缺陷态之间的间距越大，则两个缺陷态的交迭 和相互作用越弱，劈裂的两个缺陷态之间的频率间隔越小，当两个缺陷的间距足 够大时，两个缺陷态之间的相互作用接近0 ，在光谱上表现为单一的一个矩形的 缺陷模。不论是单一缺陷模还是劈裂模，其电场都在缺陷层内强局域 7 0 】。 1 4 光子晶体全光开关 自从光子晶体的概念被提出以来，作为全光信息处理关键部件的全光开关 和全光逻辑门在理论和实验上都受到了广泛的重视。 首次提出的光子晶体全光开关的物理思想是，利用频率位于一维光子晶体 通带的超短脉冲来改变克尔非线性介质膜层的折射率使光子带边频移，以控制频 率位于光子带边的信号光的通断【7 l 】。 1 0 第1 章绪论 得到一个缺陷模，仅改变第奇数个或第偶数个缺陷层的折射率可以在缺陷模中引 入一个禁带，如图1 5 所示，将信号光置于图带隙产生的频率可以灵敏的控制其 通断。 1 g 蛆si s y e r s e i ：ti s 6 ，q to 5 m 打l l y e 限乞* 1 噶= o 5 ： 1 g 以3d e f e c t1 y e 督1 l ，溉奄o ，7 5 ； 囝。g 、一产$ 如f e c t y e r s ：乞。喀 墨 3 = ，童 臻 宣 善 l 图1 5 利用动态带隙完成开关的示意图 在光子晶体中引入缺陷，在缺陷模附近，由于光子晶体的强烈的光子局域 效应，光子的群速度较低，同时三阶非线性光学效应被大大增强。适当选择入射 激光波长的位置，使其与缺陷模的中心波长有一个恰当的失谐量，当入射光强变 大时，强烈的光子局域效应和三阶非线性光学效应会提供相应的非线性反馈机 制，使得透射光强随入射光强的变化而改变，透射光谱呈现双稳态特性。这样， 利用双稳态效应，当增强探测光的强度到超过一定的阈值时，透射光强将突然增 大到很高的数值，此时光开关导通：当探测光强逐渐减弱到一定值时，透射光强 将突然变得很小，此时光开关关闭。文献 8 1 采用光子晶体交叉波导实现双稳态 光开关。其结构示意图1 - 6 所示如下 1 2 一_i广i一 一 卜；vlillilll 第1 章绪论 矬 o oo o oooo oooo oaoo 口ooo oooo oooo ooo o 墨ooo o 0 0 ooa 善嚣鬻 蠹器：g oooo oooo oooo oooo oooo oo oa oo x f b ， oo oo oo oo oo oo oo oo 荟oo e o o oo 薏嚣 强oo 历oo oo oo oo oo oo oo oo 口口 oo oo oo oo oo oa oo c o n 蜘。lo u tl p a 露v j oooooooooooooooooo ooooo 口o ooo 口ooooooo oooooooooo 口ooooooo ooooooo ooooooooooo oooo 口口ooo oo 口oooo 口o ooooooo ooooo oooooo oooooooooooooooooa 6 o 6 o o o 6 o 6o oo 6 6 o oo oooooooooo 口ooooooo ， ooooooooo 口ooooooooon v q 。静ooo 口ooo 口oaooooooo = 貔 o oooo 耐至 豢ooo9ooo0 口夺ooooooov ooooooooooooooooooo 翌 oooooooo0o 口ooooooo oooooooooooo oooooo 诉 oooooooooooooooooo ooooooooo ooo oooooo oooooooooooo oooooo ooooooooo ooo oooooo oooooooooooooooooo ooooooo o0 ooooooooo oooooooooooo oooooo c 翻嚏f o lhf p i f l v ) oo 口 oo o oo 略 oo 味 0o 嘻 oo 尊 oo 馈 ooo aoo o 口尊 c o n 枉嗡m ( p 黝吖 o o o o n o o o ooo o o oo uoo oooo oo ao oo a 口 ao oo oo oo ooooo 0o oo o oo口oo ooooo ooooo oo0oo ooooo ooooo ooooa ooo0o ooooooo aoooooo o o o 口，、o o o oooooooo o 口口口uo 口o 口口口口口口口口 c 玎o il nf o 酏y ； 图1 6 交叉波导双稳态光丌关示意图 提出新的结构和机制来提高光子晶体全光开关的灵敏度是应用物理中一个 重要的研究方向。 1 5 本论文工作 本文以一维光子晶体为研究对象，采用理论分析和数值计算相结合的方法， 设计了多种可以作为高灵敏度全光开关和全光逻辑门的光子晶体异质结结构和 微腔结构，这些结构中，用作控制光通道的耦合腔模在光谱上表现为矩形透射峰， 1 3 蠢锡 o o 口奇o o o o o o o o o o 口o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 譬夸。口嘻o夸口争 o o o o o o o 拳尊口 o o 口o o o o o o 口o o o o o o a o o 口 a o o o o o o o o 口 第1 章绪论 用作信号光通道的缺陷模在光谱上表现为锐透射峰，且这些模的电场都在相同的 膜层内有强局域，保证了全光开关和全光逻辑门的高灵敏度、低开关阈值和稳定 性。具体工作及成果包括以下几个方面： ( 1 ) 在第2 章中提出了一种一维光子晶体异质结全光开关的机理。在该异质 结的光子禁带中获得了电场强局域在相同缺陷层的异质结共振模和对称微腔耦 合共振模，即在高反射带中获得一锐透射峰和一矩形透射峰。据此提出一种一维 光子晶体异质结全光开关的机理：以异质结模作为信号光通道，以对称腔耦合模 作为控制光通道，采用低强度的泵浦光激发对称腔耦合模来改变缺陷层的折射 率，不仅能灵敏的改变异质结模的共振频率从而控制信号光的通断，而且能确保 在缺陷层折射率微量改变时对称腔耦合模中某些频率的电场局域强度可以保持 不变从而实现稳定的控制。两个共振模的电场强度局域在相同的缺陷层有着不同 的目的。对于异质结共振模，其电场在缺陷层的强局域可以使得其共振频率的频 移对缺陷层折射率的改变非常灵敏，也就是说完成开关所需的折射率改变量很 小。对于对称腔耦合模，其电场在缺陷层的强局域可以使得控制光在缺陷层的非 线性效应大大增强，并使得开关所需的泵浦强度大大降低。采用这种机制可以使 得开关所需最小折射率改变量低至1 0 4 ，最小泵浦强度低至2 0 m w m m 2 。而且， 控制光和信号光之间的频率间隔在很宽的频率范围内可设计：如果采用信号光斜 入射、控制光正入射的形式可以实现对两个偏振态的单独控制，在同一结构就可 实现控制光和信号光之间的频率间隔随着信号光入射角度的改变在很宽的频率 范围内连续可调。 ( 2 ) 在第3 章中把利用微腔缺陷态交叠获得耦合模和劈裂模的结构模型中 所用的微腔类型，从对称型拓展到非对称型。基于此物理思想，把本来需要两个 不同结构光子晶体( 由对称微腔构成) 才能分别获得耦合模和劈裂模的情况，变 成用同一光子晶体结构( 由非对称微腔构成) 即可在光子禁带中同时获得两个劈 裂模和一个耦合模，这一新思想带来的新结构产生了低阈值高灵敏双通道全光开 关和全光逻辑门的新应用，提出了低闽值高灵敏度且控制性能稳定的双通道全光 开关、七种逻辑门( 与门、非门、或非门、异或门、与非门、同或门、或门) 和 半加器、半减器的工作机理。 ( 3 ) 在第4 章中，将第2 章中得到对称腔耦合模的方法和第3 章中得到劈 1 4 第l 章绪论 裂模的方法结合起来，设计出多通道低阈值全光开关的一维光子晶体结构。在该 结构的禁带中获得一个对称腔耦合模和多个劈裂模，它们的电场都局域在相同的 缺陷层。采用低强度的泵浦光激发对称腔耦合模改变缺陷层的折射率，能灵敏地 同时改变各个劈裂模的共振频率，将这些劈裂模作为信号光的通道可同时控制多 个信号光的通断。各个劈裂模之间的频率间隔可调，且劈裂模的个数也可调。 第1 章绪论 p l a s m a , ”印儿a p p l p h y s 3 6 ，7 7 6 3 - 7 7 6 8 ( 19 9 7 ) 【15 u g r i i n i n g ，v l e h m a n n ，s o t t o wa n dk b u s c h “m a c r o p o r o u ss i l i c o nw i t ha c o m p l e t et w o - d i m e n s i o n a lp h o t o n i cb a n dg a pc e n t e r e da t5 “m ，”a p p l p 矗”l e t t 6 8 ，7 4 7 7 4 9 ( 19 9 6 ) 【16 h b l i n ，r j t o n u c c i ，a n da j c a m p i l l o ，“o b s e r v a t i o no ft w o - d i m e n s i o n a l p h o t o n i cb a n db e h a v i o ri nt h ev i s i b l e ，”a p p l p h y s l