含复合缺陷的一维光子晶体的非线性传输特性的研究

论文摘要

光子晶体是一种新型的人工合成光学材料,其组成材料的折射率在空间呈周期性分布。光子晶体的尺度与电磁辐射波长具有相同数量级,其最根本特征是具有光子带隙。能够像半导体控制电子的运动一样,通过对材料结构的优化设计,光子晶体可以自由地控制一定频率范围内或某固定频率的电磁波在空间不同方向上的发射、输运和滤波。这一思想给光通信技术,特别是给传统的微波通信技术带来革命性的创新理念。合成新型光子晶体、探讨新的物理特性及应用,一直是光子晶体研究的热点。本文将采用亚波长材料、负折射率材料、非线性材料来构造一维光子晶体的复合缺陷,深入研究光在其中的非线性传播特性,期盼研究结果能够进一步完善光子晶体的非线性特性,为新型光学器件的设计提供新思路。本文的主要工作和创新点概括如下:（1）研究了具有中间线性隔层的耦合非线性缺陷对一维光子晶体双稳态特性的影响。发现这种复合结构的光学双稳态受到中间线性介质层的强烈调制,当中间线性层光学厚度固定时,双稳态阈值随其折射率的减小而减小,当中间线性层的折射率固定时,双稳态阈值随其厚度的增加呈周期性变化。恰当选择中间线性介质层的参数可大大降低双稳态阈值。（2）用线性薄膜和Kerr材料构造一维光子晶体的复合缺陷,分别研究了线性缺陷膜为双负折射率材料和右手材料两种情况下,线性缺陷膜对一维光子晶体的电场分布、线性缺陷模频率和双稳态阈值的影响,发现当线性缺陷膜为双负材料时,上述三个参量随线性薄膜物理参数变化的趋势与具有相同绝对值参数的正折射率线性薄膜时的情形完全相反。（3）对计算Kerr介质的非线性特征矩阵进行了推导和演化。推导出斜入射时,透（反）射波束的Goos-H?nchen位移与入射波强度变化的关系式。利用所推导的关系式分析了中间位置含Kerr材料的一维光子晶体透射波束纵向位移随入射波强度的变化关系,首次发现Goos-H?nchen位移随入射光强度的改变呈双稳态变化,提出了双稳态位移的概念。当入射波强度从较大值减小时,Goos-H?nchen位移被大大增强,在低阈值附近达到最大值。详细讨论了Kerr缺陷膜的厚度、线性折射率、入射波频率以及入射角对双稳态位移的影响,发现双稳态位移的峰值随非线性材料线性折射率的成倍增长而减小。当光子晶体结构和入射角确定时,双稳态位移取决于入射波频率偏离线性缺陷模频率的程度。随着入射波频率逐渐接近线性缺陷模频率,位移峰值急剧增大,但当入射波频率非常接近线性缺陷模频率甚至超过线性缺陷模频率时,双稳态位移消失。（4）研究了亚波长缺陷膜对含Kerr类型非线性缺陷的一维光子晶体缺陷模频率附近透射波束双稳态位移特性的调制作用。研究表明双负折射率亚波长缺陷膜能明显改变双稳态位移特性。随着磁导率绝对值的增加,双稳态阈值增大,位移峰值却减小,回滞曲线上下两部分间的距离先是变得越来越小,直到两部分重合在一起,而后随着磁导率绝对值的增加,原来位于回滞曲线下面的部分移动到了上面,而原来上面的那部分却移动到了下面,并且随着磁导率绝对值的增加两部分间的距离增大。研究还发现,亚波长缺陷膜和Kerr缺陷膜的前后位置次序对双稳态位移的阈值和峰值产生剧烈影响,并且磁导率的绝对值越大,影响越明显。对于（AB） 3 ADCA（ BA）3结构,当亚波长缺陷膜磁导率的绝对值较大时,双稳态位移的方向突然从向上翘变为向下翘,并且随着入射光强的变化,位移大部分变为负值。这些特性都是普通右手材料所不具备的,这主要是由于亚波长材料的负折射率和非线性介质内有效折射率随入射波强度的缓慢变化共同作用造成的。亚波长空气薄膜的引入,对光子晶体禁带边缘的反射谱线基本上没影响,但能够大大增强光子晶体禁带边缘的Goos-H?nchen位移。并且,禁带的上边缘和下边缘处一边为正值,另一边为负值,任何一边位移都是正负相间隔。当更换亚波长空气薄膜和非线性薄膜的位置次序时,禁带下边缘的位移由正值变为负值,而负值却变为正值,在禁带的上边缘,情形却恰恰相反。所取得的理论结果对新型光学器件（特别是光子技术中缺少的光逻辑元件、记忆存储元件和光转换器等）的设计与开发具有一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光子晶体概念
• 1.3 光子晶体与半导体晶体的比较
• 1.4 光子晶体的特性
• 1.4.1 光子禁带
• 1.4.2 局域性
• 1.4.3 负折射效应
• 1.4.4 非线性特性
• 1.5 光子晶体的理论研究
• 1.5.1 时域有限差分法
• 1.5.2 传输矩阵法
• 1.5.3 多重散射法
• 1.5.4 Kerr 介质层的计算方法
• 1.6 光子晶体的制作
• 1.6.1 机械加工法
• 1.6.2 逐层叠加法
• 1.6.3 微制造技术
• 1.6.4 自克隆技术
• 1.7 光子晶体应用
• 1.7.1 高效率发光二极管、低阈值激光器
• 1.7.2 光子晶体波导、光子晶体光纤
• 1.7.3 光子晶体微腔、偏振器
• 1.7.4 光子晶体密集波分复用器
• 1.7.5 非线性光子晶体器件
• 1.7.6 光子晶体在微波技术上的应用
• 1.8 本论文的研究目标、意义及内容安排
• 参考文献
• 第二章 含耦合非线性缺陷的一维光子晶体的双稳态特性
• 2.1 引言
• 2.2 理论模型
• 2.2.1 非线性介质波方程的推导和求解
• 2.2.2 非线性介质特征矩阵的推导
• 2.2.3 多层非线性介质的传输矩阵
• 2.3 含耦合非线性缺陷的一维光子晶体的双稳态特性
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 负折射率缺陷膜对一维光子晶体双稳态特性的调制
• 3.1 引言
• 3.2 理论模型
• 3.3 线性缺陷膜的引入对传输特性的影响
• 3.4 线性薄膜的物理参数对传输特性的影响
• 3.5 线性缺陷膜和非线性缺陷膜位置次序的影响
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 含单Kerr 缺陷的一维光子晶体的双稳态位移特性
• 4.1 引言
• 4.2 计算公式推导
• 4.3 结构模型
• 4.4 数值结果及讨论
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 亚波长缺陷膜对一维光子晶体非线性位移特性的调制
• 5.1 引言
• 5.2 反常非线性位移现象
• 5.3 亚波长空气薄膜对一维光子晶体禁带边缘的影响
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论和展望
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 致谢