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一维光子晶体的光子带隙、光学双稳态和相位共轭波

蒋美萍  
【摘要】:1987年Yablonovitch和John各自独立提出了光子晶体的概念,它是由传统的晶体概念类比而来的,最根本的特征是具有光子带隙和光子局域。光子晶体是一种微结构光学材料,其尺度与电磁辐射波长具有相同的数量级,它通过对材料折射率的空间周期性调制来实现其光学性质。利用光子晶体的性质可控制光在光子晶体中的流动,实现超小光学器件,如频率滤波器、光学波导、非线性光学开关和低阈值激光器等,工作波长在实验室已经从微波波段推进到可见光波段。光子晶体将成为一种新型器件——光子器件的基础,研究光子晶体的构成及其光学传输性质有着基础物理和材料科学上的重要意义。 一维光子晶体可由两种正折射率介质(称右手系材料Right-Handed Materials,RHM)、或正-负折射率介质(后者称左手系材料Left-Handed Materials,LHM)、或金属-电介质等构成。采用数值计算和理论分析相结合的研究方法,分别对RHM-RHM和RHM-LHM一维光子晶体及(非线性)Bragg腔的光子带隙、光子局域、偏振特性、光学双稳态和相位共轭波进行了研究。发现了RHM-LHM Bragg腔缺陷模频率随缺陷层厚度变化的规律,这不同于RHM-RHM Bragg腔缺陷模的变化规律;提出了用扩展相位图确定RHM-RHM一维光子晶体禁带位置和禁带特征的方法;在禁带中心频率附近对Dowling透射率公式和传输矩阵各矩阵元分别作泰勒级数展开并取一级近似,得到了RHM-RHM一维光子晶体光子禁带中心位置及禁带中心区透射率的解析表达式、RHM-LHM Bragg腔缺陷模频率和品质因子与各介质层厚关系的解析表达式;导出了RHM-RHM非线性Bragg腔中三阶非线性介质产生的相位共轭波增强因子的解析表达式;研究了各种因素对双稳态开关阈值的影响及其作用机理,提出了降低双稳态阈值的途径。数值计算与理论分析结果均一致。


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