一維光子晶體全光開關(guān)和全光邏輯門的研究.pdf

1、光子晶體對光子的操控已成為當(dāng)今一非常重要的研究方向。其中，全光開關(guān)和全光邏輯門是全光信息處理中操控光子的最典型和最重要的光子器件，受到了廣泛的重視。目前提高開關(guān)靈敏度和響應(yīng)速度是全光開關(guān)研究中期望解決的兩大關(guān)鍵問題。 本文主要研究一維光子晶體全光開關(guān)的靈敏度的提高、閾值的降低和穩(wěn)定性的保障。主要物理方案如下： 在光子帶隙中獲得一個或多個銳透射峰和一個矩形透射峰，且這些峰對應(yīng)的缺陷模頻率的電場都局域在相同的缺陷層。用矩形峰

2、作為控制光通道，銳透射峰作為信號光通道： (1)缺陷層折射率的微量改變就可使銳透射峰的共振頻率發(fā)生明顯改變而實現(xiàn)高靈敏地控制信號光的通斷；而且矩形透射峰確保了在缺陷層折射率微量改變時該缺陷模中某些頻率的電場局域增強的比例保持不變，可實現(xiàn)穩(wěn)定控制。 (2)矩形峰內(nèi)頻率在缺陷層內(nèi)的強局域使得控制光在缺陷層的非線性效應(yīng)大大增強，從而大大降低了開關(guān)閾值。 根據(jù)以上提高光開關(guān)靈敏度、降低開關(guān)閾值的機制，本論文設(shè)計了一系列高

3、靈敏度低閾值全光開關(guān)和全光邏輯門器件，它們的結(jié)構(gòu)和工作機理的理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的研究結(jié)果綜述如下： (1)提出了一種含耦合Fabry-Perot腔和周期性結(jié)構(gòu)的一維光子晶體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這種異質(zhì)結(jié)的高反射帶中有一耦合腔的矩形透射峰和一新型的很銳的異質(zhì)結(jié)透射峰：而且耦合腔模和異質(zhì)結(jié)模的透射頻率的光的電場都將強局域在相同的缺陷層。以上述物理特性作為單通道全光開關(guān)的機理：以異質(zhì)結(jié)模作為信號光通道，以耦合腔模作為控制光通道，采用較低強度的泵

4、浦光激發(fā)禍合腔模來改變?nèi)毕輰拥恼凵渎?，不僅能靈敏的改變異質(zhì)結(jié)模的頻率從而控制信號光的通斷，而且能確保在缺陷層折射率改變時耦合腔模中的控制光反射和透射恒定，使控制光的電場局域強度不變從而實現(xiàn)穩(wěn)定的控制。耦合腔模內(nèi)頻率在缺陷層內(nèi)的強局域使得控制光在缺陷層的非線性效應(yīng)大大增強，從而大降低了開關(guān)閩值。此機制設(shè)計的光開關(guān)可使所需最小折射率改變量低至10-4，最小控制光泵浦強度低至20mW／mm2?？刂乒夂托盘柟庵g的頻率間隔在很寬的頻率范圍內(nèi)可按

5、需設(shè)計。此外，當(dāng)信號光斜入射、控制光正入射時，又形成偏振全光開關(guān)，它能對信號光的兩個偏振態(tài)單獨控制；另外在同一結(jié)構(gòu)還可實現(xiàn)控制光和信號光之間的頻率間隔隨著信號光入射角度的改變在很寬的頻率范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 (2)當(dāng)兩個缺陷間距較小時其相互作用將使異質(zhì)結(jié)模分裂，稱劈裂模。已報道的是對稱腔，我們設(shè)計了非對微腔耦合的結(jié)構(gòu)，同時得到劈裂模和耦合腔模，且兩模的透射頻率的光的電場都將強局域在相同的缺陷層?；诖宋锢硭枷耄驯緛硇枰獌蓚€不同對稱

6、微腔結(jié)構(gòu)光子晶體才能獲得的兩個劈裂共振模和一個耦合腔共振模，變成用同一光子晶體結(jié)構(gòu)(由非對稱微腔構(gòu)成)就可在光子禁帶中同時獲得這三個共振模。以此原理和結(jié)構(gòu)我們構(gòu)建了低閾值高靈敏度且控制性能穩(wěn)定的雙通道全光開關(guān)、七種全光邏輯門(與門、非門、或非門、異或門、與非門、同或門、或門)和全光半加器、全光半減器。 (3)將上述成果中利用耦合Fabry-Perot腔得到對稱耦合腔模的方法，以及利用非對稱腔耦合得到劈裂模的方法相結(jié)合，在光子禁帶