1、中央民族大學碩士期末論文master final thesis of minzu university of china非線性在光子晶體中的應用及研究進展姓 名:李予.喜學 號：.s10103? 課程名稱：.髙等物.理比學 專 業：坯境科學指導教師：陳笑2011 年 7 月 12 口非線性在光子晶體中的應用及研究進展（環境科學s101039李予喜）扌商要：非線性的出現補充和發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諧光子晶 體及光子禁帶微腔、光子晶體光開關、光子晶體光纖等應用方面的研究進展，這對充分認識非線性 的重要性及其應用潛力，進一步深入研究具有重要的意義。關鍵詞：非線性，光子

2、晶體，研究進展1.引言20世紀80年代開始，非線性光學發展與材料研究的結合成為研究的重點內容。不 同于線性光學效應，強光源與物質的相互作用將產牛各種非線性甚至高度非線性的光 學過程。自從1961年franken等人1實驗上觀測到光學二次諧波至今,40多年的發展 使得非線性光學的內容不斷得到補充和發展。40多年來，非線性光學在激光與物質相 互作用及其應用方面取得了巨大的進展。非線性光學新效應和新材料的不斷發展成為光 信息科學應用和持續發展的源泉。隨著三階非線性光學效應研究的不斷深入，包括光學 相位共轆、光學雙穩態、全光開關等現象及其潛在應用的不斷發現，為光信息科學與技 術的發展提供了新的內容。利

3、用三階非線性光學效應低成本和集成化地對光進行控制和 高速處理成為光信息發展的口標。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材料2-3o利用光子品體的光子帶隙特性,能夠實 現對電磁波的傳輸狀態進行人工操控。而非線性的出現補充和發展了光子晶體的特性和 功能。木文主要概括非線性在可調諧光子晶體及光子禁帶微腔、光子晶體光開關、光子 晶體光纖等方面的研究進展。2 可調諧光子晶體可調諧光子晶體的光子帶隙是可調控的,其位置和寬度能夠隨著外部參數的變化而 改變，因此可調諧光子晶體不僅擴展了光子晶體的應用領域，而口還成為發展新型光子 學器件的重要基礎?？烧{諧光子晶體的兩個

4、重要指標是光子帶隙的可調范闔和超快速的 時間響應。可調諧光子品體主要是以三階非線性光學材料為基礎來構造非線性光子品體, 通過調節外部溫度、磁場、電場或者強激光場的作用實現的。調諧方法可以通過磁場來 調節鐵磁材料4,通過電場（或者溫度）來調節鐵電材料5、液晶材料6, 7或者半導體材 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，從而實現可調 諧光子晶體。另外,kim等人提出，利用應力場調節壓電材料可以使二維光子晶體的晶格 對稱結構發生連續變化，也可以實現光子帶隙的連續調諧10o lima等人則利用表面聲 波調節一維光子晶體微腔，使其諧振模式發生改變，實現了對光子晶體散射

5、光強的連續控 制11。超快速可調諧光子晶體在快速信息處理和光通信等領域都具有非常重要的應用前 景，利用全光激發有機非線性光學材料也可以實現超快速可調諧光子晶體，如以聚苯乙 烯作為非線性材料來實現超快速可調諧光子品體，得到了研究12-13o光子品體長波帶 邊的遷移量隨著抽運光強的增加而增大，光子帶隙的寬度也隨著抽運光強的增加而增 大。雖然長波帶邊和短波帶邊都向長波方向移動，但是它們的遷移情況有所不同。當抽 運光強低時，在同樣的抽運光強作用下，長波帶邊和短波帶邊的遷移量基本相同。而當抽 運光強高于11. 7gw /cn?時,長波帶邊的遷移量要遠遠大于短波帶邊。以可調諧二維聚 苯乙烯光子晶體為例，長

6、波帶邊和短波帶邊的遷移量隨抽運光強的變化如圖1所示。娜值光 a/(gw/cm2)圖1二維光子品體長波帶邊和短波帶邊的遷移量隨抽運光強的變化曲線(點是實驗值，線是理論計算值)不同的調節方式，其時間響應特性也有很大的差別。以溫度調節方式來實現可調諧 光子晶體時,光子晶體的時間響應只有秒至毫秒的量級，而屯場調節的方式可以實現微秒 量級的時間響應14, 15。利用短脈沖激光激發的方式來調節非線性材料,可以獲得更快 的時間響應。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 光子晶體，使可調諧光子晶體的時間響應達到了飛秒量級160在光子晶體中引入缺陷,就會在光子帶隙中出現相應的

7、缺陷模式。在二維正方晶格 的摻雜的聚苯乙烯光子晶體屮引入線缺陷所構成可調諧二維光子帶隙微腔17也有人 研究。隨著抽運光強的增加，微腔共振模式在光子帶隙中的位置逐漸向長波方向移動。 可調諧光子帶隙微腔可用來實現光開關效應。選擇探測光的波長位于光子帶隙微腔模式 的中心波長開始時探測光能夠通過光子晶體，光開關處于“開”的狀態。在抽運光的作 用下,光子帶隙微腔模式發生移動，探測光的波長落入光子帶隙內,探測光就不能通過光 子晶體，光開關處于“關”的狀態。3. 光子晶體光開關全光開關是進行快速信息處理、全光集成的關鍵器件。自從1987年光子晶體提出 后，光子晶體全光開關吸引了很多研究者的興趣。keir非線

8、性光子晶體在外界強抽運光 的作用下，光子帶邊或缺陷態會發生移動。此時，如果探測光的波長設置在帶邊或缺陷 態的位置，其透過率在抽運前后會發生顯著變化，從而實現光開關。如果抽運光為超快 的飛秒脈沖激光，則帶邊或缺陷態的移動也隨之快速移動，從而實現超快的光開關。聚 苯乙烯具有很好的非線性特征：較大的三階非線性系數，超快的開光響應時間，以及成 本低廉、易于制作等。屮科院李志遠的研究小組在試驗上完成了 10fs18超快響應時間中央民族大學碩士期末論文 的的聚苯乙烯三維光子晶體全光開關，并且理論和試驗復合的很好。有的研究者通過激 發態增強和有機分子間激發態電荷快速轉移過程，實現了超快速時間響應、低泵浦功率

9、 的高效全光光子晶體開關。有的學者一維光子晶體的基礎上通過摻雜電光材料,通過外 加電場的變化調節摻雜材料的折射率，從而控制特定光波的透射率,實現光開關的功能。 還有一種新穎的、低開關功率的全光開關.將高非線性光子晶體光纖和雙向抽運摻餌光 纖放大器引入sagnac環形鏡內，破壞了環形鏡的對稱性，利用交叉相位調制作用使反向 傳輸的兩路信號光產牛非線性相移，從而實現開關效應osharping等人利用高非線性光子 晶體光纖(hn_pcf)做sagnac非線性光纖環鏡，通過xpm產生非線性相移實現光開關功 能19。salgueiro和zheltikova分別提出利用光子帶隙光纖的kerr效應和雙芯光子晶

10、體 光纖耦合器也實現了光開關的功能20,21 o4. 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晶體。纖芯材料不同導光原理也 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岀滿足不同用途的光子晶體光纖22。光子晶體光纖特殊的結構決定了它具有許多傳統光纖不能比擬的特性:無限單模 傳輸;極低損耗和色散;(3)有很好的高雙折射現象;(4)設計自由度大;(5)較傳統光纖有 更顯著的非線性特性。通過理論和實驗的研究，人們發現光子晶體光纖屮光場

11、能被高度 局域集中，從而可以極大地提高非線性光學相互作用的效率。因此,對于光子晶體光纖中 的各種非線性效應自相位調制(spm)、交叉相位調制(xpm)、受激喇曼散射(scrs) 等的理論研究和實驗分析便具有相當重要的意義，可為基于非線性效應的光纖器件的研 制提供理論基礎opcf的非線性效應中最重要也是最早被研究的是由ranka等人首先觀 察到的超連續譜(supercontinuum, sc)發生現象。小纖芯pcf的強非線性可以引發一系 列應用，從而促進光器件的小型化和集成化，并大幅度降低成本23,24o petropolous等人 提出了基于pcf的spm效應的全光開關方案。在光纖非線性研究中

12、，不能僅考慮增大 非線性系數，增強非線性效應，還應該結合實際，在達到高非線性的時候，對于色散損 耗也應予以考慮，這樣才會得到更好的應用。crystal fiber公司提出了一種零色散波長 在1550nm處的非線性系數較高的pcf,這種pcf可以兼顧高非線性系數的同時靈活設 計光纖的色散，這是傳統光纖所不可比擬的。意大利的panna大學采用數值模擬的方法, 模擬了兼顧最佳色散斜率和較高非線性系數的pcf25o其他的高階菲線性光子晶體光 纖相繼被研制出來，其中莫斯科國家大學26拉制的pcf,非線性系數在800 nm處達到 1300 ww,在1250 nm處達到700 wkmj,不過這種光纖使用的是

13、tf10玻璃，采用 了小纖芯，纖芯周圍為6個與芯基本相同的小空氣孔，再外面才是包層空氣孔，理論分 析可知采用這種結構的二氧化硅光纖的非線性系數也將會是很大的數值。5. 總結本文簡單概括了非線性在可調諧光子晶體及光子禁帶微腔、光子晶體光開關、光子 晶體光纖等應用方面的研究進展。通過改變各個外部參數(如電場、磁場、光強等因素) 改變非線性光學材料的特性實現了可調諧光子晶體，并得到了很快的時間響應。通過非 線性改變帶邊或缺陷態完成了光子晶體全光開關。具有高非線性系數等優勢的光子晶體 光纖也得到了極大進展。有這對充分認識非線性的重要性及其應用潛力，進一步深入研 究具有重要的意義。參考文獻11 fran

14、ken p a, hill c w, peters c w, et al. generation of optical harmonics. phys rev lett, 1961,7: 1181192 yablonovith e. phys. rev. lett., 1987, 58: 20593 john s. phys. rev. lett., 1987, 5& 24864 kee c s, kim je, parkhyetal. phys. rev. b, 2000, 615523|5| figotin a, godiny a, vitebsky 1. phys. rev. b

15、, 1998, 52841 buschk, john s. phys. rev. lett., 1999, 83: 9677 hay k, yangy c, kim jeetal. app.l phys. lett., 20079: 15 lan s, nishikawa s, wadao. appphys. lett., 2001,72101 ha y k, kim je, parkhyetal. phys. rev. b, 2002, 6075109|10 kim s, gopalan v. appphys. lett., 2001, 7& 301511 limamm, hey j

16、r, santosp v. appphys. lett., 20083: 299712 hux y, zhangq, liuyhetal. appphys. lett., 2003,83: 251813 huxy,liu y h, tian jet al. app.l phys. lett., 2005,86: 12110214 yoshinok, satoh s, shimodayetal. jan. j. app.l phys.,1999, 38: l961115 shimoday, ozakim, yoshinok. appphys. lett., 2001,79: 362716 leo

17、nard sw, vandrelhm, schilling jetal. phys. rev. b,2002, 66: 16110217 hu xy, jiang p, ding c yet al. nature photon. 2008, 2:18518 劉嘩，秦飛，李志遠ofs超快聚苯乙烯非線性光子晶體全光開關.中國光學重要 成果，2010,47:03sc15119 sharping j e, fiomtino m, kumar p, windeler r s 2002ieee photon.technol.lett.147720 salgueiro j r, kivshar y s 20

18、050pt.lett.30185821 zheltikova s m, zheltikov d a, bloemer am2005phys.rev. e 7102660922 yamao y, suda h, umeda n, et al.radio access network design concept for the fourth generation mobile communication systemc. ieee 51st. vehicular technology conference proceedings, tokyo,japan,2000, 3: 2 285-2 2923 簡水生.創新是振興光纖通信的必由z路j.光纖通信,2003,(1): 14-22.24 broderick n g r, monro t m, bennett p j, et al.nonlinearity in holey fibers: measurement and future opportunitiesj. opt. lett., 1999, 24: 1395-1397.25 poli f, adami f, foroni m, et al. optical parametric amplification