非线性在光子晶体中的应用及研究进展

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1、中央民族大学硕士期末论文MasterFinalThesisofMinzuUniversityofChina非线性在光子晶体中的应用及研究进展姓名:•李予.喜学号：..S10103?课程名称：.髙等物.理比学专业：坯境科学指导教师：陈笑2011年7月12口非线性在光子晶体中的应用及研究进展（环境科学S101039李予喜）扌商要：非线性的出现补充和发展了光子晶体的特性和功能。本文简单概括了非线性在可调谐光子晶体及光子禁带微腔、光子晶体光开关、光子晶体光纤等应用方面的研究进展，这对充分认识非线性的重要性及其应用潜力，进一步深入研究

2、具有重要的意义。关键词：非线性，光子晶体，研究进展1.引言20世纪80年代开始，非线性光学发展与材料研究的结合成为研究的重点内容。不同于线性光学效应，强光源与物质的相互作用将产牛各种非线性甚至高度非线性的光学过程。自从1961年Franken等人［1］实验上观测到光学二次谐波至今,40多年的发展使得非线性光学的内容不断得到补充和发展。40多年來，非线性光学在激光与物质相互作用及其应用方面取得了巨大的进展。非线性光学新效应和新材料的不断发展成为光信息科学应用和持续发展的源泉。随着三阶非线性光学效应研究的不断深入，包括光学相位共

3、辘、光学双稳态、全光开关等现象及其潜在应用的不断发现，为光信息科学与技术的发展提供了新的内容。利用三阶非线性光学效应低成本和集成化地对光进行控制和高速处理成为光信息发展的口标。光子晶体是由两种或者两种以上的介电材料在空间周期性排列所形成的一种新型的光子学材料［2-3］o利用光子品体的光子带隙特性,能够实现对电磁波的传输状态进行人工操控。而非线性的出现补充和发展了光子晶体的特性和功能。木文主要概括非线性在可调谐光子晶体及光子禁带微腔、光子晶体光开关、光子晶体光纤等方面的研究进展。2•可调谐光子晶体可调谐光子晶体的光子带隙是可调

4、控的,其位置和宽度能够随着外部参数的变化而改变，因此可调谐光子晶体不仅扩展了光子晶体的应用领域，而口还成为发展新型光子学器件的重要基础。可调谐光子晶体的两个重要指标是光子带隙的可调范阖和超快速的时间响应。可调谐光子品体主要是以三阶非线性光学材料为基础来构造非线性光子品体,通过调节外部温度、磁场、电场或者强激光场的作用实现的。调谐方法可以通过磁场来调节铁磁材料［4］,通过电场（或者温度）来调节铁电材料［5］、液晶材料［6,7］或者半导体材料［8,9］,使这些材料的折射率随外部磁场、电场（或者温度）的变化而改变，从而实现可调谐光

5、子晶体。另外,Kim等人提出，利用应力场调节压电材料可以使二维光子晶体的晶格对称结构发生连续变化，也可以实现光子带隙的连续调谐［10］oLima等人则利用表面声波调节一维光子晶体微腔，使其谐振模式发生改变，实现了对光子晶体散射光强的连续控制［11］。超快速可调谐光子晶体在快速信息处理和光通信等领域都具有非常重要的应用前景，利用全光激发有机非线性光学材料也可以实现超快速可调谐光子晶体，如以聚苯乙烯作为非线性材料来实现超快速可调谐光子品体，得到了研究［12-13］O光子品体长波带边的迁移量随着抽运光强的增加而增大，光子带隙的宽度

6、也随着抽运光强的增加而增大。虽然长波带边和短波带边都向长波方向移动，但是它们的迁移情况有所不同。当抽运光强低时，在同样的抽运光强作用下，长波带边和短波带边的迁移量基本相同。而当抽运光强高于11.7GW/cn?时,长波带边的迁移量要远远大于短波带边。以可调谐二维聚苯乙烯光子晶体为例，长波带边和短波带边的迁移量随抽运光强的变化如图1所示。娜值光a/(GW/cm2)图1二维光子品体长波带边和短波带边的迁移量随抽运光强的变化曲线(点是实验值，线是理论计算值)不同的调节方式，其时•间响应特性也有很大的差别。以温度调节方式来实现可调谐光

7、子晶体时,光子晶体的时间响应只有秒至毫秒的量级，而屯场调节的方式可以实现微秒量级的时间响应［14,15］。利用短脉冲激光激发的方式来调节非线性材料,可以获得更快的时间响应。Leonard等人将自由载流子注入二维硅基光子晶体，利用飞秒激光脉冲激发光子晶体，使可调谐光子晶体的时间响应达到了飞秒量级［16］0在光子晶体中引入缺陷,就会在光子带隙中出现相应的缺陷模式。在二维正方晶格的掺杂的聚苯乙烯光子晶体屮引入线缺陷所构成可调谐二维光子带隙微腔［17］也有人研究。随着抽运光强的增加，微腔共振模式在光子带隙中的位置逐渐向长波方向移动。

8、可调谐光子带隙微腔可用来实现光开关效应。选择探测光的波长位于光子带隙微腔模式的中心波长开始时探测光能够通过光子晶体，光开关处于“开”的状态。在抽运光的作用下,光子带隙微腔模式发生移动，探测光的波长落入光子带隙内,探测光就不能通过光子晶体，光开关处于“关”的状态。3.光子晶体光开关全光开关是