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1、基于非線性光子晶體的全光開關(guān)摘要: 通過利用一維和二維非線性光子晶體來實現(xiàn)全光開關(guān)，首先對光子晶體的概念和物理特性進行了介紹，其次介紹了一種利用一維非線性光子晶體實現(xiàn)全光開關(guān)的方法，該方法在光子晶體的所有高折射率層摻入Kerr介質(zhì),依賴于光子與非線性光子晶體的相互作用，根據(jù)非線性效應(yīng)導(dǎo)致的缺陷態(tài)遷移實現(xiàn)光子晶體全光開關(guān)。最后介紹了一種在二維光子晶體內(nèi)部加入克爾型非線性介質(zhì)柱，實現(xiàn)非線性光子晶體全光開關(guān)結(jié)構(gòu)的方法，通過時域有限差分(FDTD)理論分析，該結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)基本的邏輯功能。關(guān)鍵字：光子晶體；全光開關(guān)；非線性；FDTD理論Abst
2、ract：Toobtainall-opticalswitching,onedimensionalandtwodimensionalnonlinearphotoniccrystalareused.Firstofall,theconceptandphysicalcharacteristicsofphotoniccrystalareintroduced.Then,aimplementationmethodofall-opticalswitchingispresent,whichbasedononedimensionalnonlinearpho
3、toniccrystal.InallphotoniccrystalhighrefractiveindexlayersKerrmediumismixed,basedontheKerrnonlineareffectcausedbythewholebandmovingprinciple,all-opticalswitchingcanberealized.Finally,atwodimensionalphotoniccrystalstructurewithkerrnonlineardielectricrodsisintroduced.Bymea
4、nsoffinitedifferencetimedomain(FDTD),itcanimplementfundamentallogicalfunction.Keywords：photoniccrystal;all-opticalswitching;nonlinearity;FDTD1、前言全光開關(guān)是一種重要的集成光子學(xué)器件，完全利用光子與介質(zhì)的相互作用來實現(xiàn)對光傳輸狀態(tài)的控制，在光通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。光子晶體是一種折射率在空間周期性變化的新型光子學(xué)材料，具有獨特的光子禁帶和光子局域特性[1-3]，能有效地控制光的傳輸狀態(tài)，這是
5、實現(xiàn)全光開關(guān)的重要基礎(chǔ)。利用光子晶體實現(xiàn)全光開關(guān)的思想最早由Scalora在1994年提出[4]，該思想提出后人們進行了大量的理論探索[5-7]。龔旗煌、胡小永[8]介紹了基于光子晶體的全光開關(guān)的各種實現(xiàn)方法,并詳細論述了超快速光子晶體全光開關(guān)的實驗研究狀況。宋健、孟凡玉等[9]基于Kerr非線性效應(yīng)導(dǎo)致的禁帶整體移動原理,設(shè)計了兩種一維光子晶體全光開關(guān)結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用時域有限差分對對全光開關(guān)進行數(shù)值特性分析，并討論了頻率混合效應(yīng)對全光開關(guān)的影響。據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)2012年5月3日的報道，美國聯(lián)合量子研究所的科學(xué)家最新研制出迄今能耗最低
6、的一款全光開關(guān)，該開關(guān)能引導(dǎo)光束從一個方向到達另一個方向，整個過程只需耗費120ps(120萬億分之一秒)，而且能耗僅為1*10 -18J,是目前能耗最低的全光開關(guān)。科學(xué)家們使用置于共振光腔內(nèi)的一個量子點(相當(dāng)于一個門)制造出了該全光開關(guān)該共振光腔是一個擁有很多小洞的光子晶體，只允許少數(shù)光波通過晶體。本文首先對光子晶體的概念和物理特性進行了介紹，其次介紹了一種利用一維非線性光子晶體實現(xiàn)全光開關(guān)的方法，該方法依賴于光子與非線性光子晶體的相互作用，由非線性效應(yīng)導(dǎo)致的缺陷態(tài)遷移是實現(xiàn)光子晶體全光開關(guān)。最后介紹了一種在二維光子晶體內(nèi)部加入克爾
7、型非線性介質(zhì)柱，實現(xiàn)非線性光子晶體全光開關(guān)結(jié)構(gòu)的方法。2、光子晶體簡介光子晶體是一種新型的人工結(jié)構(gòu)功能材料，從大約20年前光子晶體的概念提出以來，光子晶體的研究在光學(xué)物理、凝聚態(tài)物理、電磁波、信息技術(shù)、聲學(xué)等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。光子晶體的概念從硅晶體的概念類比得來，硅晶體的開發(fā)利用在20世紀(jì)引起了一場技術(shù)革命，有人大膽預(yù)言光子晶體的研究有可能在21世紀(jì)推動信息技術(shù)產(chǎn)生新的突破[10-11]。光子晶體也稱光子帶隙材料，是高介電常數(shù)介質(zhì)材料和低介電常數(shù)介質(zhì)材料在空間呈周期排列的人造晶體，其晶格常數(shù)與工作波長處于同一個數(shù)量級。頻率落入光子帶隙
8、中的電磁波，由于光子晶體的強烈的布拉格散射效應(yīng)，將被光子晶體全反射回來而不能在光子晶體中傳播，因而光子帶隙中的光子態(tài)密度為零。光子晶體的光子帶隙出現(xiàn)在布里淵區(qū)的邊界上，它不僅與光子的能量有關(guān)，還與光子的傳播
