含復(fù)合缺陷的一維光子晶體的非線(xiàn)性傳輸特性的研究.pdf

1、光子晶體是一種新型的人工合成光學(xué)材料，其組成材料的折射率在空間呈周期性分布。光子晶體的尺度與電磁輻射波長(zhǎng)具有相同數(shù)量級(jí)，最根本特征是具有光子帶隙。能夠像半導(dǎo)體控制電子的運(yùn)動(dòng)一樣，通過(guò)對(duì)材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，光子晶體可以自由地控制一定頻率范圍內(nèi)或某固定頻率的電磁波在空間不同方向上的發(fā)射、輸運(yùn)和濾波。這一思想給光通信技術(shù)，特別是給傳統(tǒng)微波通信技術(shù)帶來(lái)革命性的創(chuàng)新理念。 合成新型光子晶體、探討新的物理特性及應(yīng)用，一直是光子晶體研究的熱點(diǎn)。本

2、文將采用亞波長(zhǎng)材料、負(fù)折射率材料、非線(xiàn)性材料來(lái)構(gòu)造一維光子晶體的復(fù)合缺陷，深入研究光在其中的非線(xiàn)性傳播特性，期盼研究結(jié)果能夠進(jìn)一步完善光子晶體的非線(xiàn)性特性，為新型光學(xué)器件的設(shè)計(jì)提供新思路。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)概括如下： (1)研究了具有中間線(xiàn)性隔層的耦合非線(xiàn)性缺陷對(duì)一維光子晶體雙穩(wěn)態(tài)特性的影響。發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)受到中間線(xiàn)性介質(zhì)層的強(qiáng)烈調(diào)制，當(dāng)中間線(xiàn)性層光學(xué)厚度固定時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)閾值隨其折射率的減小而減小，當(dāng)中間線(xiàn)性層的

3、折射率固定時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)閡值隨其厚度的增加呈周期性變化。恰當(dāng)選擇中間線(xiàn)性介質(zhì)層的參數(shù)可大大降低雙穩(wěn)態(tài)閾值。 (2)用線(xiàn)性薄膜和Kerr材料構(gòu)造一維光子晶體的復(fù)合缺陷，分別研究了線(xiàn)性缺陷膜為雙負(fù)折射率材料和右手材料兩種情況下，線(xiàn)性缺陷膜對(duì)一維光子晶體的電場(chǎng)分布、線(xiàn)性缺陷模頻率和雙穩(wěn)態(tài)閾值的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)線(xiàn)性缺陷膜為雙負(fù)材料時(shí)，上述三個(gè)參量隨線(xiàn)性薄膜物理參數(shù)變化的趨勢(shì)與具有相同絕對(duì)值參數(shù)的正折射率線(xiàn)性薄膜時(shí)的情形完全相反。 (3)

4、對(duì)計(jì)算Kerr介質(zhì)的非線(xiàn)性特征矩陣進(jìn)行了推導(dǎo)和演化。推導(dǎo)出斜入射時(shí)，透(反)射波束的Goos-Hanchen位移與入射波強(qiáng)度變化的關(guān)系式。利用所推導(dǎo)的關(guān)系式分析了中間位置含Kerr材料的一維光子晶體透射波束縱向位移隨入射波強(qiáng)度的變化關(guān)系，首次發(fā)現(xiàn)Goos-Hanchen位移隨入射光強(qiáng)度的改變呈雙穩(wěn)態(tài)變化，提出了雙穩(wěn)態(tài)位移的概念。當(dāng)入射波強(qiáng)度從較大值減小時(shí)，Goos-Hanchen位移被大大增強(qiáng)，在低閾值附近達(dá)到最大值。詳細(xì)討論了Kerr

5、缺陷膜的厚度、線(xiàn)性折射率、入射波頻率以及入射角對(duì)雙穩(wěn)態(tài)位移的影響，發(fā)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)位移的峰值隨非線(xiàn)性材料線(xiàn)性折射率的成倍增長(zhǎng)而減小。當(dāng)光子晶體結(jié)構(gòu)和入射角確定時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)位移取決于入射波頻率偏離線(xiàn)性缺陷模頻率的程度。隨著入射波頻率逐漸接近線(xiàn)性缺陷模頻率，位移峰值急劇增大，但當(dāng)入射波頻率非常接近線(xiàn)性缺陷模頻率甚至超過(guò)線(xiàn)性缺陷模頻率時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)位移消失。 (4)研究了亞波長(zhǎng)缺陷膜對(duì)含Kerr類(lèi)型非線(xiàn)性缺陷的一維光子晶體缺陷模頻率附近透射波束雙

6、穩(wěn)態(tài)位移特性的調(diào)制作用。研究表明雙負(fù)折射率亞波長(zhǎng)缺陷膜能明顯改變雙穩(wěn)態(tài)位移特性。隨著磁導(dǎo)率絕對(duì)值的增加，雙穩(wěn)態(tài)閾值增大，位移峰值卻減小，回滯曲線(xiàn)上下兩部分間的距離先是變得越來(lái)越小，直到兩部分重合在一起，而后隨著磁導(dǎo)率絕對(duì)值的增加，原來(lái)位于回滯曲線(xiàn)下面的部分移動(dòng)到了上面，而原來(lái)上面的那部分卻移動(dòng)到了下面，并且隨著磁導(dǎo)率絕對(duì)值的增加兩部分間的距離增大。研究還發(fā)現(xiàn)，亞波長(zhǎng)缺陷膜和Kerr缺陷膜的前后位置次序?qū)﹄p穩(wěn)態(tài)位移的閾值和峰值產(chǎn)生劇烈影響

7、，并且磁導(dǎo)率的絕對(duì)值越大，影響越明顯。對(duì)于(AB)3ADCA(BA)3結(jié)構(gòu)，當(dāng)亞波長(zhǎng)缺陷膜磁導(dǎo)率的絕對(duì)值較大時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)位移的方向突然從向上翹變?yōu)橄蛳侣N，并且隨著入射光強(qiáng)的變化，位移大部分變?yōu)樨?fù)值。這些特性都是普通右于材料所不具備的，這主要是由于亞波長(zhǎng)材料的負(fù)折射率和非線(xiàn)性介質(zhì)內(nèi)有效折射率隨入射波強(qiáng)度的緩慢變化共同作用造成的。業(yè)波長(zhǎng)空氣薄膜的引入，對(duì)光子晶體禁帶邊緣的反射譜線(xiàn)基本上沒(méi)影響，但能夠大大增強(qiáng)光子晶體禁帶邊緣的Goos-Hanc