基于光子晶体的全光开关

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。

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

Abstract :To obtain all-optical switching, one dimensional and two dimensional nonlinear photonic crystal are used. First of all, the concept and physical characteristics of photonic crystal are introduced. Then, a implementation method of all-optical switching is present, which based on one dimensional nonlinear photonic crystal. In all photonic crystal high refractive index layers Kerr medium is mixed, based on the Kerr nonlinear effect caused by the whole band moving principle, all-optical switching can be realized. Finally, a two dimensional photonic crystal structure with kerr nonlinear dielectric rods is introduced. By means of finite difference time domain (FDTD), it can implement fundamental logical function.

Keywords :photonic crystal; all-optical switching; nonlinearity; FDTD

1、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。

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