基于光子晶体的全光开关.doc

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1、基于非线性光子晶体的全光开关摘要:　通过利用一维和二维非线性光子晶体来实现全光开关，首先对光子晶体的概念和物理特性进行了介绍，其次介绍了一种利用一维非线性光子晶体实现全光开关的方法，该方法在光子晶体的所有高折射率层掺入Kerr介质,依赖于光子与非线性光子晶体的相互作用，根据非线性效应导致的缺陷态迁移实现光子晶体全光开关。最后介绍了一种在二维光子晶体内部加入克尔型非线性介质柱，实现非线性光子晶体全光开关结构的方法，通过时域有限差分(FDTD)理论分析，该结构还可以实现基本的逻辑功能。关键字：光子晶体；全光开关；非线性；FDTD理论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、前言全光开关是一种重要的集成光子学器件，完全利用光子与介质的相互作用来实现对光传输状态的控制，在光通信等领域具有广阔的应用前景。光子晶体是一种折射率在空间周期性变化的新型光子学材料，具有独特的光子禁带和光子局域特性[1-3]，能有效地控制光的传输状态，这是

5、实现全光开关的重要基础。利用光子晶体实现全光开关的思想最早由Scalora在1994年提出[4]，该思想提出后人们进行了大量的理论探索[5-7]。龚旗煌、胡小永[8]介绍了基于光子晶体的全光开关的各种实现方法,并详细论述了超快速光子晶体全光开关的实验研究状况。宋健、孟凡玉等[9]基于Kerr非线性效应导致的禁带整体移动原理,设计了两种一维光子晶体全光开关结构，并应用时域有限差分对对全光开关进行数值特性分析，并讨论了频率混合效应对全光开关的影响。据美国物理学家组织网2012年5月3日的报道，美国联合量子研究所的科学家最新研制出迄今能耗最低

6、的一款全光开关，该开关能引导光束从一个方向到达另一个方向，整个过程只需耗费120ps(120万亿分之一秒)，而且能耗仅为1*10-18J,是目前能耗最低的全光开关。科学家们使用置于共振光腔内的一个量子点(相当于一个门)制造出了该全光开关该共振光腔是一个拥有很多小洞的光子晶体，只允许少数光波通过晶体。本文首先对光子晶体的概念和物理特性进行了介绍，其次介绍了一种利用一维非线性光子晶体实现全光开关的方法，该方法依赖于光子与非线性光子晶体的相互作用，由非线性效应导致的缺陷态迁移是实现光子晶体全光开关。最后介绍了一种在二维光子晶体内部加入克尔

7、型非线性介质柱，实现非线性光子晶体全光开关结构的方法。2、光子晶体简介光子晶体是一种新型的人工结构功能材料，从大约20年前光子晶体的概念提出以来，光子晶体的研究在光学物理、凝聚态物理、电磁波、信息技术、声学等领域引起了广泛关注。光子晶体的概念从硅晶体的概念类比得来，硅晶体的开发利用在20世纪引起了一场技术革命，有人大胆预言光子晶体的研究有可能在21世纪推动信息技术产生新的突破[10-11]。光子晶体也称光子带隙材料，是高介电常数介质材料和低介电常数介质材料在空间呈周期排列的人造晶体，其晶格常数与工作波长处于同一个数量级。频率落入光子带隙

8、中的电磁波，由于光子晶体的强烈的布拉格散射效应，将被光子晶体全反射回来而不能在光子晶体中传播，因而光子带隙中的光子态密度为零。光子晶体的光子带隙出现在布里渊区的边界上，它不仅与光子的能量有关，还与光子的传播