非線性在光子晶體中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

1、中央民族大學(xué)碩士期末論文 Master Final Thesis of Minzu University of China非線性在光子晶體中的應(yīng)用及研究進(jìn)展姓 名：學(xué) 號(hào)： 課程名稱： 高等物理光學(xué)專 業(yè)： 環(huán)境科學(xué)指導(dǎo)教師： 陳笑2011年7月12日中央民族大學(xué)碩士期末論文非線性在光子晶體中的應(yīng)用及研究進(jìn)展（環(huán)境科學(xué) S101039李予喜）摘要：非線性的出現(xiàn)補(bǔ)充和發(fā)展了光子晶體的特性和功能。本文簡單概括了非線性在可調(diào)諧光子晶體及光子禁帶微腔、光子晶體光開關(guān)、光子晶體光纖等應(yīng)用方面的研究進(jìn)展，這對充分認(rèn)識(shí)非線性的重要性及其應(yīng)用潛力，進(jìn)一步深入研究具有重要的意義。關(guān)鍵詞：非線性，光子晶體，研究進(jìn)

2、展1.引言20世紀(jì)80年代開始, 非線性光學(xué)發(fā)展與材料研究的結(jié)合成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容。不同于線性光學(xué)效應(yīng), 強(qiáng)光源與物質(zhì)的相互作用將產(chǎn)生各種非線性甚至高度非線性的光學(xué)過程。自從1961年Franken 等人1實(shí)驗(yàn)上觀測到光學(xué)二次諧波至今, 40 多年的發(fā)展使得非線性光學(xué)的內(nèi)容不斷得到補(bǔ)充和發(fā)展。40 多年來, 非線性光學(xué)在激光與物質(zhì)相互作用及其應(yīng)用方面取得了巨大的進(jìn)展。非線性光學(xué)新效應(yīng)和新材料的不斷發(fā)展成為光信息科學(xué)應(yīng)用和持續(xù)發(fā)展的源泉。隨著三階非線性光學(xué)效應(yīng)研究的不斷深入，包括光學(xué)相位共軛、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)、全光開關(guān)等現(xiàn)象及其潛在應(yīng)用的不斷發(fā)現(xiàn)，為光信息科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展提供了新的內(nèi)容。利用三階非線性

3、光學(xué)效應(yīng)低成本和集成化地對光進(jìn)行控制和高速處理成為光信息發(fā)展的目標(biāo)。光子晶體是由兩種或者兩種以上的介電材料在空間周期性排列所形成的一種新型的光子學(xué)材料2-3。利用光子晶體的光子帶隙特性,能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波的傳輸狀態(tài)進(jìn)行人工操控。而非線性的出現(xiàn)補(bǔ)充和發(fā)展了光子晶體的特性和功能。本文主要概括非線性在可調(diào)諧光子晶體及光子禁帶微腔、光子晶體光開關(guān)、光子晶體光纖等方面的研究進(jìn)展。2.可調(diào)諧光子晶體可調(diào)諧光子晶體的光子帶隙是可調(diào)控的,其位置和寬度能夠隨著外部參數(shù)的變化而改變，因此可調(diào)諧光子晶體不僅擴(kuò)展了光子晶體的應(yīng)用領(lǐng)域,而且還成為發(fā)展新型光子學(xué)器件的重要基礎(chǔ)?？烧{(diào)諧光子晶體的兩個(gè)重要指標(biāo)是光子帶隙的可調(diào)范

4、圍和超快速的時(shí)間響應(yīng)?？烧{(diào)諧光子晶體主要是以三階非線性光學(xué)材料為基礎(chǔ)來構(gòu)造非線性光子晶體,通過調(diào)節(jié)外部溫度、磁場、電場或者強(qiáng)激光場的作用實(shí)現(xiàn)的。調(diào)諧方法可以通過磁場來調(diào)節(jié)鐵磁材料4,通過電場(或者溫度)來調(diào)節(jié)鐵電材料5、液晶材料6, 7或者半導(dǎo)體材料8, 9,使這些材料的折射率隨外部磁場、電場(或者溫度)的變化而改變,從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧光子晶體。另外,Kim等人提出,利用應(yīng)力場調(diào)節(jié)壓電材料可以使二維光子晶體的晶格對稱結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)變化,也可以實(shí)現(xiàn)光子帶隙的連續(xù)調(diào)諧10。Lima等人則利用表面聲波調(diào)節(jié)一維光子晶體微腔,使其諧振模式發(fā)生改變,實(shí)現(xiàn)了對光子晶體散射光強(qiáng)的連續(xù)控制11。超快速可調(diào)諧光子晶體在

5、快速信息處理和光通信等領(lǐng)域都具有非常重要的應(yīng)用前景，利用全光激發(fā)有機(jī)非線性光學(xué)材料也可以實(shí)現(xiàn)超快速可調(diào)諧光子晶體，如以聚苯乙烯作為非線性材料來實(shí)現(xiàn)超快速可調(diào)諧光子晶體，得到了研究12-13。光子晶體長波帶邊的遷移量隨著抽運(yùn)光強(qiáng)的增加而增大，光子帶隙的寬度也隨著抽運(yùn)光強(qiáng)的增加而增大。雖然長波帶邊和短波帶邊都向長波方向移動(dòng),但是它們的遷移情況有所不同。當(dāng)抽1中央民族大學(xué)碩士期末論文運(yùn)光強(qiáng)低時(shí),在同樣的抽運(yùn)光強(qiáng)作用下,長波帶邊和短波帶邊的遷移量基本相同。而當(dāng)抽運(yùn)光強(qiáng)高于11. 7GW /cm2時(shí),長波帶邊的遷移量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短波帶邊。以可調(diào)諧二維聚苯乙烯光子晶體為例，長波帶邊和短波帶邊的遷移量隨抽運(yùn)光

6、強(qiáng)的變化如圖1所示。圖1 二維光子晶體長波帶邊和短波帶邊的遷移量隨抽運(yùn)光強(qiáng)的變化曲線(點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)值,線是理論計(jì)算值)不同的調(diào)節(jié)方式,其時(shí)間響應(yīng)特性也有很大的差別。以溫度調(diào)節(jié)方式來實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧光子晶體時(shí),光子晶體的時(shí)間響應(yīng)只有秒至毫秒的量級,而電場調(diào)節(jié)的方式可以實(shí)現(xiàn)微秒量級的時(shí)間響應(yīng)14, 15。利用短脈沖激光激發(fā)的方式來調(diào)節(jié)非線性材料,可以獲得更快的時(shí)間響應(yīng)。Leonard等人將自由載流子注入二維硅基光子晶體,利用飛秒激光脈沖激發(fā)光子晶體,使可調(diào)諧光子晶體的時(shí)間響應(yīng)達(dá)到了飛秒量級16。在光子晶體中引入缺陷,就會(huì)在光子帶隙中出現(xiàn)相應(yīng)的缺陷模式。在二維正方晶格的摻雜的聚苯乙烯光子晶體中引入線缺陷所構(gòu)成

7、可調(diào)諧二維光子帶隙微腔17也有人研究。隨著抽運(yùn)光強(qiáng)的增加,微腔共振模式在光子帶隙中的位置逐漸向長波方向移動(dòng)?？烧{(diào)諧光子帶隙微腔可用來實(shí)現(xiàn)光開關(guān)效應(yīng)。選擇探測光的波長位于光子帶隙微腔模式的中心波長開始時(shí)探測光能夠通過光子晶體,光開關(guān)處于“開”的狀態(tài)。在抽運(yùn)光的作用下,光子帶隙微腔模式發(fā)生移動(dòng),探測光的波長落入光子帶隙內(nèi),探測光就不能通過光子晶體,光開關(guān)處于“關(guān)”的狀態(tài)。3.光子晶體光開關(guān)全光開關(guān)是進(jìn)行快速信息處理、全光集成的關(guān)鍵器件。自從1987年光子晶體提出后，光子晶體全光開關(guān)吸引了很多研究者的興趣。Kerr非線性光子晶體在外界強(qiáng)抽運(yùn)光的作用下，光子帶邊或缺陷態(tài)會(huì)發(fā)生移動(dòng)。此時(shí)，如果探測光的波

8、長設(shè)置在帶邊或缺陷態(tài)的位置，其透過率在抽運(yùn)前后會(huì)發(fā)生顯著變化，從而實(shí)現(xiàn)光開關(guān)。如果抽運(yùn)光為超快的飛秒脈沖激光，則帶邊或缺陷態(tài)的移動(dòng)也隨之快速移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)超快的光開關(guān)。聚苯乙烯具有很好的非線性特征：較大的三階非線性系數(shù)，超快的開光響應(yīng)時(shí)間，以及成本低廉、易于制作等。中科院李志遠(yuǎn)的研究小組在試驗(yàn)上完成了10fs18超快響應(yīng)時(shí)間2中央民族大學(xué)碩士期末論文的的聚苯乙烯三維光子晶體全光開關(guān)，并且理論和試驗(yàn)復(fù)合的很好。有的研究者通過激發(fā)態(tài)增強(qiáng)和有機(jī)分子間激發(fā)態(tài)電荷快速轉(zhuǎn)移過程, 實(shí)現(xiàn)了超快速時(shí)間響應(yīng)、低泵浦功率的高效全光光子晶體開關(guān)。有的學(xué)者一維光子晶體的基礎(chǔ)上通過摻雜電光材料,通過外加電場的變化調(diào)節(jié)摻

9、雜材料的折射率,從而控制特定光波的透射率,實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的功能。還有一種新穎的、低開關(guān)功率的全光開關(guān).將高非線性光子晶體光纖和雙向抽運(yùn)摻餌光纖放大器引入Sagnac環(huán)形鏡內(nèi),破壞了環(huán)形鏡的對稱性,利用交叉相位調(diào)制作用使反向傳輸?shù)膬陕沸盘?hào)光產(chǎn)生非線性相移,從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)效應(yīng)。Sharping等人利用高非線性光子晶體光纖(HN_PCF)做Sagnac非線性光纖環(huán)鏡,通過XPM產(chǎn)生非線性相移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能19。Salgueiro和Zheltikova分別提出利用光子帶隙光纖的Kerr效應(yīng)和雙芯光子晶體光纖耦合器也實(shí)現(xiàn)了光開關(guān)的功能20,21。4.光子晶體光纖光子晶體光纖(PCF)是一種帶有線缺陷的二維光子

10、晶體。纖芯材料不同導(dǎo)光原理也不同,基本可分為TIR(Totally International Reflection)型和PBG(Photonic Band Gap)型兩類。在纖芯和包層中摻雜不同折射率的材料可制造出滿足不同用途的光子晶體光纖22。光子晶體光纖特殊的結(jié)構(gòu)決定了它具有許多傳統(tǒng)光纖不能比擬的特性:(1)無限單模傳輸;(2)極低損耗和色散;(3)有很好的高雙折射現(xiàn)象;(4)設(shè)計(jì)自由度大;(5)較傳統(tǒng)光纖有更顯著的非線性特性。通過理論和實(shí)驗(yàn)的研究,人們發(fā)現(xiàn)光子晶體光纖中光場能被高度局域集中,從而可以極大地提高非線性光學(xué)相互作用的效率。因此,對于光子晶體光纖中的各種非線性效應(yīng)自相位調(diào)制(

11、SPM)、交叉相位調(diào)制(XPM)、受激喇曼散射(SCRS)等的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析便具有相當(dāng)重要的意義,可為基于非線性效應(yīng)的光纖器件的研制提供理論基礎(chǔ)。PCF的非線性效應(yīng)中最重要也是最早被研究的是由Ranka等人首先觀察到的超連續(xù)譜(SuperContinuum, SC)發(fā)生現(xiàn)象。小纖芯PCF的強(qiáng)非線性可以引發(fā)一系列應(yīng)用,從而促進(jìn)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效應(yīng)的全光開關(guān)方案。在光纖非線性研究中，不能僅考慮增大非線性系數(shù)，增強(qiáng)非線性效應(yīng)，還應(yīng)該結(jié)合實(shí)際，在達(dá)到高非線性的時(shí)候，對于色散損耗也應(yīng)予以考慮，這樣才會(huì)得到更好的應(yīng)用

12、。Crystal Fiber公司提出了一種零色散波長在1550nm處的非線性系數(shù)較高的PCF，這種PCF可以兼顧高非線性系數(shù)的同時(shí)靈活設(shè)計(jì)光纖的色散，這是傳統(tǒng)光纖所不可比擬的。意大利的Parma大學(xué)采用數(shù)值模擬的方法，模擬了兼顧最佳色散斜率和較高非線性系數(shù)的PCF25。其他的高階非線性光子晶體光纖相繼被研制出來，其中莫斯科國家大學(xué)26拉制的PCF, 非線性系數(shù)在800 nm處達(dá)到1300 W-km-，在1250 nm處達(dá)到700 W-km-，不過這種光纖使用的是TF10玻璃，采用了小纖芯，纖芯周圍為6個(gè)與芯基本相同的小空氣孔，再外面才是包層空氣孔，理論分析可知采用這種結(jié)構(gòu)的二氧化硅光纖的非線性

13、系數(shù)也將會(huì)是很大的數(shù)值。5.總結(jié)本文簡單概括了非線性在可調(diào)諧光子晶體及光子禁帶微腔、光子晶體光開關(guān)、光子晶體光纖等應(yīng)用方面的研究進(jìn)展。通過改變各個(gè)外部參數(shù)（如電場、磁場、光強(qiáng)等因素）改變非線性光學(xué)材料的特性實(shí)現(xiàn)了可調(diào)諧光子晶體，并得到了很快的時(shí)間響應(yīng)。通過非線性改變帶邊或缺陷態(tài)完成了光子晶體全光開關(guān)。具有高非線性系數(shù)等優(yōu)勢的光子晶體光纖也得到了極大進(jìn)展。有這對充分認(rèn)識(shí)非線性的重要性及其應(yīng)用潛力，進(jìn)一步深入研究具有重要的意義。3中央民族大學(xué)碩士期末論文參考文獻(xiàn)1 Franken P A, Hill C W, Peters C W, et al. Generation of optical har

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