光子晶體耦合腔的局域特性及應(yīng)用研究.pdf

1、光子晶體，即光學(xué)參數(shù)（線性和／或非線性電極化率和／或磁導(dǎo)率）隨空間位置周期變化的光學(xué)結(jié)構(gòu)，是近二十年來(lái)發(fā)展最快的光學(xué)領(lǐng)域之一。由于其獨(dú)特的光子禁帶和光子局域效應(yīng)，使光子晶體成為集成光學(xué)和全光通信領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。本論文利用數(shù)值模擬和理論分析的方法，研究一維和二維光子晶體耦合腔結(jié)構(gòu)的局域特性，及其在光學(xué)器件中的應(yīng)用。其中研究的耦合腔結(jié)構(gòu)包括線性和Kerr非線性兩種類型，所實(shí)現(xiàn)的功能包括寬頻帶光限幅器、寬頻帶和多模的雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)以及耦合腔光波

2、導(dǎo)。
　　論文提出光子晶體耦合腔結(jié)構(gòu)具有兩種不同的狀態(tài)：其一是本征頻率連續(xù)分布的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，各個(gè)腔內(nèi)的電場(chǎng)局域強(qiáng)度近似相等，其行為可以利用已知的緊束縛理論描述。其二是本征頻率離散分布的狀態(tài)，在此狀態(tài)下，不同腔內(nèi)的電場(chǎng)局域強(qiáng)度不同。此時(shí)耦合腔行為不符合通常使用的緊束縛理論。為此，我們提出一種耦合模理論對(duì)離散本征態(tài)的耦合腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。利用該理論，求解出了本征模對(duì)應(yīng)的本征頻率、品質(zhì)因子、以及電場(chǎng)本征態(tài)。雖然這兩種狀態(tài)可以通過(guò)耦

3、合腔結(jié)構(gòu)兩端局域強(qiáng)度的調(diào)節(jié)而相互轉(zhuǎn)換，但是這兩種狀態(tài)在耦合腔應(yīng)用（包括線性和非線性器件）中表現(xiàn)出完全不同的特性。
　　當(dāng)耦合腔結(jié)構(gòu)處于連繽模狀態(tài)時(shí)，研究了整個(gè)連續(xù)本征頻率帶內(nèi)的寬帶光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)和光限幅器。這兩種功能是在具有連續(xù)本征頻譜的耦合腔結(jié)構(gòu)中引入Kerr型非線性介質(zhì)而實(shí)現(xiàn)的。利用非線性傳輸矩陣方法和時(shí)域有限差分方法對(duì)限幅和開(kāi)關(guān)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性分別進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通過(guò)入射光所激發(fā)的Kerr效應(yīng)對(duì)腔折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，改變

4、了腔之間的耦合強(qiáng)度與耦合效率，從而造成了整個(gè)連續(xù)透射帶內(nèi)高低透射狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了寬頻帶的全光雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)和限幅功能。
　　當(dāng)耦合腔結(jié)構(gòu)處于離散模工作狀態(tài)時(shí)，在一維結(jié)構(gòu)中研究了均勻低閾值的多模光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)。通過(guò)分析耦合腔內(nèi)電場(chǎng)的局域特性以及腔受到微擾時(shí)對(duì)本征頻率的影響特性，得出在適當(dāng)?shù)那粌?nèi)引入Kerr介質(zhì)，通過(guò)入射光自泵浦，可以實(shí)現(xiàn)所有本征頻率的移動(dòng)，并且基于此實(shí)現(xiàn)了低閾值的雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)。利用耦合模理論分析，得出所有信道的開(kāi)

5、關(guān)閾值都相等的條件，并且在數(shù)值模擬結(jié)果中得到了驗(yàn)證。在二維結(jié)構(gòu)中，我們研究了二維耦合腔陣列的色散特性以及透射特性，相對(duì)于一維耦合腔結(jié)構(gòu)，二維耦合腔結(jié)構(gòu)在任意二維方向都可以實(shí)現(xiàn)低群速度傳輸和高效率開(kāi)關(guān)過(guò)程。利用非線性時(shí)域有限差分方法，得到了耦合腔陣列在脈沖激勵(lì)下的雙穩(wěn)態(tài)曲線，以及信號(hào)激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果。
　　當(dāng)耦合腔結(jié)構(gòu)作為傳輸波導(dǎo)時(shí)，本文研究了耦合腔的個(gè)數(shù)以及輸出和輸入端的結(jié)構(gòu)對(duì)耦合腔波導(dǎo)傳輸特性的影響，得出了波導(dǎo)透射頻譜和群速