含復合缺陷的一維光子晶體的非線性傳輸特性的研究.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具有相同數量級，最根本特征是具有光子帶隙。能夠像半導體控制電子的運動一樣，通過對材料結構的設計，光子晶體可以自由地控制一定頻率范圍內或某固定頻率的電磁波在空間不同方向上的發(fā)射、輸運和濾波。這一思想給光通信技術，特別是給傳統(tǒng)微波通信技術帶來革命性的創(chuàng)新理念。 合成新型光子晶體、探討新的物理特性及應用，一直是光子晶體研究的熱點。本

2、文將采用亞波長材料、負折射率材料、非線性材料來構造一維光子晶體的復合缺陷，深入研究光在其中的非線性傳播特性，期盼研究結果能夠進一步完善光子晶體的非線性特性，為新型光學器件的設計提供新思路。本文的主要工作和創(chuàng)新點概括如下： (1)研究了具有中間線性隔層的耦合非線性缺陷對一維光子晶體雙穩(wěn)態(tài)特性的影響。發(fā)現這種復合結構的光學雙穩(wěn)態(tài)受到中間線性介質層的強烈調制，當中間線性層光學厚度固定時，雙穩(wěn)態(tài)閾值隨其折射率的減小而減小，當中間線性層的

3、折射率固定時，雙穩(wěn)態(tài)閡值隨其厚度的增加呈周期性變化。恰當選擇中間線性介質層的參數可大大降低雙穩(wěn)態(tài)閾值。 (2)用線性薄膜和Kerr材料構造一維光子晶體的復合缺陷，分別研究了線性缺陷膜為雙負折射率材料和右手材料兩種情況下，線性缺陷膜對一維光子晶體的電場分布、線性缺陷模頻率和雙穩(wěn)態(tài)閾值的影響，發(fā)現當線性缺陷膜為雙負材料時，上述三個參量隨線性薄膜物理參數變化的趨勢與具有相同絕對值參數的正折射率線性薄膜時的情形完全相反。 (3)

4、對計算Kerr介質的非線性特征矩陣進行了推導和演化。推導出斜入射時，透(反)射波束的Goos-Hanchen位移與入射波強度變化的關系式。利用所推導的關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度的變化關系，首次發(fā)現Goos-Hanchen位移隨入射光強度的改變呈雙穩(wěn)態(tài)變化，提出了雙穩(wěn)態(tài)位移的概念。當入射波強度從較大值減小時，Goos-Hanchen位移被大大增強，在低閾值附近達到最大值。詳細討論了Kerr

5、缺陷膜的厚度、線性折射率、入射波頻率以及入射角對雙穩(wěn)態(tài)位移的影響，發(fā)現雙穩(wěn)態(tài)位移的峰值隨非線性材料線性折射率的成倍增長而減小。當光子晶體結構和入射角確定時，雙穩(wěn)態(tài)位移取決于入射波頻率偏離線性缺陷模頻率的程度。隨著入射波頻率逐漸接近線性缺陷模頻率，位移峰值急劇增大，但當入射波頻率非常接近線性缺陷模頻率甚至超過線性缺陷模頻率時，雙穩(wěn)態(tài)位移消失。 (4)研究了亞波長缺陷膜對含Kerr類型非線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)位移特性的調制作用。研究表明雙負折射率亞波長缺陷膜能明顯改變雙穩(wěn)態(tài)位移特性。隨著磁導率絕對值的增加，雙穩(wěn)態(tài)閾值增大，位移峰值卻減小，回滯曲線上下兩部分間的距離先是變得越來越小，直到兩部分重合在一起，而后隨著磁導率絕對值的增加，原來位于回滯曲線下面的部分移動到了上面，而原來上面的那部分卻移動到了下面，并且隨著磁導率絕對值的增加兩部分間的距離增大。研究還發(fā)現，亞波長缺陷膜和Kerr缺陷膜的前后位置次序對雙穩(wěn)態(tài)位移的閾值和峰值產生劇烈影響

7、，并且磁導率的絕對值越大，影響越明顯。對于(AB)3ADCA(BA)3結構，當亞波長缺陷膜磁導率的絕對值較大時，雙穩(wěn)態(tài)位移的方向突然從向上翹變?yōu)橄蛳侣N，并且隨著入射光強的變化，位移大部分變?yōu)樨撝?。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材料的負折射率和非線性介質內有效折射率隨入射波強度的緩慢變化共同作用造成的。業(yè)波長空氣薄膜的引入，對光子晶體禁帶邊緣的反射譜線基本上沒影響，但能夠大大增強光子晶體禁帶邊緣的Goos-Hanc