1、光子晶體對(duì)光子的操控已成為當(dāng)今一非常重要的研究方向。其中，全光開(kāi)關(guān)和全光邏輯門是全光信息處理中操控光子的最典型和最重要的光子器件，受到了廣泛的重視。目前提高開(kāi)關(guān)靈敏度和響應(yīng)速度是全光開(kāi)關(guān)研究中期望解決的兩大關(guān)鍵問(wèn)題。 本文主要研究一維光子晶體全光開(kāi)關(guān)的靈敏度的提高、閾值的降低和穩(wěn)定性的保障。主要物理方案如下： 在光子帶隙中獲得一個(gè)或多個(gè)銳透射峰和一個(gè)矩形透射峰，且這些峰對(duì)應(yīng)的缺陷模頻率的電場(chǎng)都局域在相同的缺陷層。用矩形峰

2、作為控制光通道，銳透射峰作為信號(hào)光通道： (1)缺陷層折射率的微量改變就可使銳透射峰的共振頻率發(fā)生明顯改變而實(shí)現(xiàn)高靈敏地控制信號(hào)光的通斷；而且矩形透射峰確保了在缺陷層折射率微量改變時(shí)該缺陷模中某些頻率的電場(chǎng)局域增強(qiáng)的比例保持不變，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。 (2)矩形峰內(nèi)頻率在缺陷層內(nèi)的強(qiáng)局域使得控制光在缺陷層的非線性效應(yīng)大大增強(qiáng)，從而大大降低了開(kāi)關(guān)閾值。 根據(jù)以上提高光開(kāi)關(guān)靈敏度、降低開(kāi)關(guān)閾值的機(jī)制，本論文設(shè)計(jì)了一系列高

3、靈敏度低閾值全光開(kāi)關(guān)和全光邏輯門器件，它們的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理的理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究結(jié)果綜述如下： (1)提出了一種含耦合Fabry-Perot腔和周期性結(jié)構(gòu)的一維光子晶體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這種異質(zhì)結(jié)的高反射帶中有一耦合腔的矩形透射峰和一新型的很銳的異質(zhì)結(jié)透射峰：而且耦合腔模和異質(zhì)結(jié)模的透射頻率的光的電場(chǎng)都將強(qiáng)局域在相同的缺陷層。以上述物理特性作為單通道全光開(kāi)關(guān)的機(jī)理：以異質(zhì)結(jié)模作為信號(hào)光通道，以耦合腔模作為控制光通道，采用較低強(qiáng)度的泵

4、浦光激發(fā)禍合腔模來(lái)改變?nèi)毕輰拥恼凵渎?，不僅能靈敏的改變異質(zhì)結(jié)模的頻率從而控制信號(hào)光的通斷，而且能確保在缺陷層折射率改變時(shí)耦合腔模中的控制光反射和透射恒定，使控制光的電場(chǎng)局域強(qiáng)度不變從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制。耦合腔模內(nèi)頻率在缺陷層內(nèi)的強(qiáng)局域使得控制光在缺陷層的非線性效應(yīng)大大增強(qiáng)，從而大降低了開(kāi)關(guān)閩值。此機(jī)制設(shè)計(jì)的光開(kāi)關(guān)可使所需最小折射率改變量低至10-4，最小控制光泵浦強(qiáng)度低至20mW／mm2?？刂乒夂托盘?hào)光之間的頻率間隔在很寬的頻率范圍內(nèi)可按

5、需設(shè)計(jì)。此外，當(dāng)信號(hào)光斜入射、控制光正入射時(shí)，又形成偏振全光開(kāi)關(guān)，它能對(duì)信號(hào)光的兩個(gè)偏振態(tài)單獨(dú)控制；另外在同一結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)控制光和信號(hào)光之間的頻率間隔隨著信號(hào)光入射角度的改變?cè)诤軐挼念l率范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 (2)當(dāng)兩個(gè)缺陷間距較小時(shí)其相互作用將使異質(zhì)結(jié)模分裂，稱劈裂模。已報(bào)道的是對(duì)稱腔，我們?cè)O(shè)計(jì)了非對(duì)微腔耦合的結(jié)構(gòu)，同時(shí)得到劈裂模和耦合腔模，且兩模的透射頻率的光的電場(chǎng)都將強(qiáng)局域在相同的缺陷層?；诖宋锢硭枷?，把本來(lái)需要兩個(gè)不同對(duì)稱

6、微腔結(jié)構(gòu)光子晶體才能獲得的兩個(gè)劈裂共振模和一個(gè)耦合腔共振模，變成用同一光子晶體結(jié)構(gòu)(由非對(duì)稱微腔構(gòu)成)就可在光子禁帶中同時(shí)獲得這三個(gè)共振模。以此原理和結(jié)構(gòu)我們構(gòu)建了低閾值高靈敏度且控制性能穩(wěn)定的雙通道全光開(kāi)關(guān)、七種全光邏輯門(與門、非門、或非門、異或門、與非門、同或門、或門)和全光半加器、全光半減器。 (3)將上述成果中利用耦合Fabry-Perot腔得到對(duì)稱耦合腔模的方法，以及利用非對(duì)稱腔耦合得到劈裂模的方法相結(jié)合，在光子禁帶