非线性在光子晶体中的应用及研究进展

1、中央民族大学硕士期末论文 Master Final Thesis of Minzu University of China非线性在光子晶体中的应用及研究进展姓 名：学 号： 课程名称： 高等物理光学专 业： 环境科学指导教师： 陈笑2011年7月12日中央民族大学硕士期末论文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）摘要：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，进一步深入研究具有重要的意义。关键词：非线性，光子晶体，研究进

2、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生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 多年来, 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，包括光学相位共轭、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

3、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目标。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。利用光子晶体的光子带隙特性,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。本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,而且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

4、围和超快速的时间响应。可调谐光子晶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晶体,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。Lima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

5、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晶体，得到了研究12-13。光子晶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1中央民族大学硕士期末论文运光强低时,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 /cm2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

6、强的变化如图1所示。图1 二维光子晶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子晶体时,光子晶体的时间响应只有秒至毫秒的量级,而电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。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中引入线缺陷所构成

7、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。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进行快速信息处理、全光集成的关键器件。自从1987年光子晶体提出后，光子晶体全光开关吸引了很多研究者的兴趣。Kerr非线性光子晶体在外界强抽运光的作用下，光子带边或缺陷态会发生移动。此时，如果探测光的波

8、长设置在带边或缺陷态的位置，其透过率在抽运前后会发生显著变化，从而实现光开关。如果抽运光为超快的飞秒脉冲激光，则带边或缺陷态的移动也随之快速移动，从而实现超快的光开关。聚苯乙烯具有很好的非线性特征：较大的三阶非线性系数，超快的开光响应时间，以及成本低廉、易于制作等。中科院李志远的研究小组在试验上完成了10fs18超快响应时间2中央民族大学硕士期末论文的的聚苯乙烯三维光子晶体全光开关，并且理论和试验复合的很好。有的研究者通过激发态增强和有机分子间激发态电荷快速转移过程, 实现了超快速时间响应、低泵浦功率的高效全光光子晶体开关。有的学者一维光子晶体的基础上通过掺杂电光材料,通过外加电场的变化调节掺

9、杂材料的折射率,从而控制特定光波的透射率,实现光开关的功能。还有一种新颖的、低开关功率的全光开关.将高非线性光子晶体光纤和双向抽运掺饵光纤放大器引入Sagnac环形镜内,破坏了环形镜的对称性,利用交叉相位调制作用使反向传输的两路信号光产生非线性相移,从而实现开关效应。Sharping等人利用高非线性光子晶体光纤(HN_PCF)做Sagnac非线性光纤环镜,通过XPM产生非线性相移实现光开关功能19。Salgueiro和Zheltikova分别提出利用光子带隙光纤的Kerr效应和双芯光子晶体光纤耦合器也实现了光开关的功能20,21。4.光子晶体光纤光子晶体光纤(PCF)是一种带有线缺陷的二维光子

10、晶体。纤芯材料不同导光原理也不同,基本可分为TIR(Totally International Reflection)型和PBG(Photonic Band Gap)型两类。在纤芯和包层中掺杂不同折射率的材料可制造出满足不同用途的光子晶体光纤22。光子晶体光纤特殊的结构决定了它具有许多传统光纤不能比拟的特性:(1)无限单模传输;(2)极低损耗和色散;(3)有很好的高双折射现象;(4)设计自由度大;(5)较传统光纤有更显著的非线性特性。通过理论和实验的研究,人们发现光子晶体光纤中光场能被高度局域集中,从而可以极大地提高非线性光学相互作用的效率。因此,对于光子晶体光纤中的各种非线性效应自相位调制(

11、SPM)、交叉相位调制(XPM)、受激喇曼散射(SCRS)等的理论研究和实验分析便具有相当重要的意义,可为基于非线性效应的光纤器件的研制提供理论基础。PCF的非线性效应中最重要也是最早被研究的是由Ranka等人首先观察到的超连续谱(SuperContinuum, SC)发生现象。小纤芯PCF的强非线性可以引发一系列应用,从而促进光器件的小型化和集成化,并大幅度降低成本23,24。Petropolous等人提出了基于PCF的SPM效应的全光开关方案。在光纤非线性研究中，不能仅考虑增大非线性系数，增强非线性效应，还应该结合实际，在达到高非线性的时候，对于色散损耗也应予以考虑，这样才会得到更好的应用

12、。Crystal Fiber公司提出了一种零色散波长在1550nm处的非线性系数较高的PCF，这种PCF可以兼顾高非线性系数的同时灵活设计光纤的色散，这是传统光纤所不可比拟的。意大利的Parma大学采用数值模拟的方法，模拟了兼顾最佳色散斜率和较高非线性系数的PCF25。其他的高阶非线性光子晶体光纤相继被研制出来，其中莫斯科国家大学26拉制的PCF, 非线性系数在800 nm处达到1300 W-km-，在1250 nm处达到700 W-km-，不过这种光纤使用的是TF10玻璃，采用了小纤芯，纤芯周围为6个与芯基本相同的小空气孔，再外面才是包层空气孔，理论分析可知采用这种结构的二氧化硅光纤的非线性

13、系数也将会是很大的数值。5.总结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。通过改变各个外部参数（如电场、磁场、光强等因素）改变非线性光学材料的特性实现了可调谐光子晶体，并得到了很快的时间响应。通过非线性改变带边或缺陷态完成了光子晶体全光开关。具有高非线性系数等优势的光子晶体光纤也得到了极大进展。有这对充分认识非线性的重要性及其应用潜力，进一步深入研究具有重要的意义。3中央民族大学硕士期末论文参考文献1 Franken P A, Hill C W, Peters C W, et al. Generation of optical har

14、monics. Phys Rev Lett, 1961, 7: 1181192 Yablonovith E. Phys. Rev. Lett., 1987, 58: 20593 John S. Phys. Rev. Lett., 1987, 58: 24864 Kee C S, Kim JE, ParkHYetal. Phys. Rev. B, 2000, 6155235 Figotin A, GodinY A, Vitebsky I. Phys. Rev. B, 1998, 528416 BuschK, John S. Phys. Rev. Lett., 1999, 83: 9677 HaY

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