打破光子晶体非线性Fano腔结构对称性实现单向传输

设计了一种基于二维光子晶体波导旁侧Fano微腔的全光二极管结构,实现光的单向传输。其关键技术是在光子晶体波导中采用简单反射层打破Fano微腔结构上的空间对称性,使得反射层两侧波导与微腔耦合效率不对称。两侧波导入射光激发微腔非线性克尔材料所需的光强阈值不同,从而实现单向导通功能。通过有限时域差分(FDTD)方法对其传输特性和性能进行了数值仿真和分析,研究发现:该结构在较低的光强阈值下可以实现正向导通、反向截止的全光二极管效果;该结构具有超快的响应时间,达到皮秒量级;该结构具有较高的最大透射率(达到90%)和较高的正反透射比。基于光子晶体结构的设计使得该器件可以具有很好的工作波长可调特性,并易于在目前半导体工艺基础上进行制作以及与其他器件集成。     

非线性光子晶体的单向透射性

利用非线性时域有限差分方法(FDTD)对光从某些一维缺陷层掺杂克尔非线性介质的四分之一波长光子晶体的正反两个不同方向入射时对应的一般透射特性进行了数值分析.计算表明：一定频率范围及一定光强范围的光从非线性光子晶体的正向入射时,透射率是其从非线性光子晶体相反方向入射时的数倍,具有单向透射性,表现为全光二极管的行为.进一步对交替介质层由空气和金红石(TiO2)组成而非线性缺陷层由聚合物(polydiacetykene 9-BCMU)组成的光子晶体模型的透射特性进行了数值分析.在某一频率和强度附近,该模型的正向透射率是反向的6倍左右,表明其可作为一种全光二极管使用.     

含Kerr介质二维光子晶体波导传输特性的NFDTD分析

利用非线性时域有限差分法(NFDTD)理论,导出了含Kerr介质的二维NFDTD算法的离散表达式,并对含Kerr介质点缺陷的二维光子晶体波导传输特性进行了分析,得到了相应的透射频谱和光场分布图.研究发现,对于输入该波导的归一化频率为0.419的光信号,当入射光强小于2.8×104W/m2时,信号几乎不能通过;当入射光强大于2.5×106W/m2时,信号能通过.这些结果将有助于光子晶体光限幅、光开关等器件的设计.     

基于一维光子晶体的全光逻辑门研究

考虑光场分布的影响,利用传输矩阵法研究了含有非线性缺陷的非对称一维光子晶体的透射特性,得到一种新的全光逻辑门的实现方法.由于光场在缺陷层中有着很强的局域,光子晶体的非线性效应得到增强.基于此,分析了场分布和缺陷层折射率的相互作用对光子晶体透射特性的影响,结果表明：通过合理设计,透射特性完全可以达到稳定状态.在此基础上设计了基于一维光子晶体的异或、与等全光逻辑门     

高透射率慢光速的光子晶体耦合腔波导的研究

将二维三角晶格光子晶体波导和微腔结构结合,优化设计了一种二维三角晶格光子晶体共振耦合腔波导,运用时域有限差分法(FDTD)模拟共振耦合腔波导TE偏振光的透射谱,通过透射谱得到传输光的透射率和群速度。结果表明,合适参数的二维三角晶格共振耦合腔波导在波长1.551μm处的群速度为c/130、透射率为20.1%,在波长1.502μm处的群速度为c/50、透射率为29.2%。运用平面波展开法(PWE)计算的该波导的能带结构对慢光特性进行了分析。这种慢光特性的光子晶体波导将在光存储、光延迟及光子集成等方面有潜在的应用价值。     

一维非线性光子晶体全光开关的数值研究

在光子晶体的缺陷层内掺入Kerr介质,基于Kerr非线性效应导致的缺陷态迁移原理,设计了两种一维光子晶体全光开关结构.应用时域有限差分（FD-TD）法,编制Matlab计算程序,对全光开关进行数值特性分析.讨论频率混合效应对全光开关的影响.观察光子局域效应增强光子晶体非线性的现象,验证了光子局域效应与光子晶体完整周期结构的层数有关,层数太少光子局域效应不明显.     

光子晶体滤波特性分析

采用时域有限差分(FDTD)方法,研究光在含点缺陷(即微腔)和线缺陷(即波导)的光子晶体中的传输特性.计算结果表明,处于光子晶体禁带的光能被局域在光子晶体波导中传输.而具有特定本征共振频率的光子晶体微腔可将在其附近波导中传播的相应频率成份的光下载到微腔中,不同结构的腔可以“下载”不同频率成份的波.以上计算结果,可用于光子晶体上/下载滤波器的设计.     

一维非线性光子晶体全光开关的数值研究

在光子晶体的缺陷层内掺入Kerr介质,基于Kerr非线性效应导致的缺陷态迁移原理,设计了两种一维光子晶体全光开关结构.应用时域有限差分(FD-TD)法,编制Matlab计算程序,对全光开关进行数值特性分析.讨论频率混合效应对全光开关的影响.观察光子局域效应增强光子晶体非线性的现象,验证了光子局域效应与光子晶体完整周期结构的层数有关,层数太少光子局域效应不明显.     

一种全光开关及任意比能量输出光分束器的设计

基于光子晶体非线性Kerr效应设计了一种结构简单的任意比能量输出光分束器, 通过控制抽运光的强度来控制端口能量输出比. 该结构还可以实现控制光传输的动态开关作用, 并且具有插入损耗低、无串扰、信号光的开/关两个状态下的透射率相差非常大的特点, 因此该光开关具有很高的开关比. 关键词： 全光开关 光分束器 非线性Kerr效应 光子晶体     

耦合腔光子晶体慢光波导结构

在单线缺陷结构中引入两个附加的相邻介质柱,构成一种新型的光子晶体耦合腔波导结构.通过平面波展开法对波导结构的的慢光特性进行了仿真分析,研究了平移线缺陷上下两侧介质柱,以及改变腔体的长度对器件色散特性和群速度的影响.结果表明:与平移缺陷上下两侧介质柱相比,通过改变腔体的长度,不仅可将光群速度低到0.03c(c为真空下的光速),而且器件的有效波长范围接近20nm.利用时域有限差分法得到波导结构的传输场分布图,研究波长的选取对入射激励光在光子晶体耦合腔波导中传输场的影响,发现结构参量优化后的光子晶体耦合腔波导仍然具有良好的传输特性.     

可用于拓宽光波单向传输带宽的光子晶体异质结构界面

基于光波单向传输的全光二极管在集成光通信、全光网络和光信息处理中有重要应用.基于方向带隙失配设计的光子晶体异质结构可实现光波单向传输,但正向透射率较低,带宽较窄.基于对光子晶体异质界面倾斜角度的研究,根据界面全反射条件,利用可集成材料硅和二氧化硅设计了一种空气孔型二维光子晶体异质结构.异质结构界面两侧的光子晶体对1550 nm波长附近的TE模光波在Γ-X方向均呈导带,避免了方向带隙失配.研究发现当异质界面满足全反射条件时,由于光子晶体的自准直效应,较宽波段的正向光波得以高效传播,而反向光波在界面由于全反射而被禁止传播.光子晶体异质结构界面的全反射效应打破了方向带隙对光波单向传输的限制,使得反向光波在光子晶体中为导带时同样可实现近零透射率,从而拓宽了光波单向传输的波长范围.基于全反射界面的光子晶体异质结构经过优化后,其正向透射率达0.64,透射对比度为0.97,单向传输带宽可达553 nm.     

可实现偏振无关单向传输的二维硅基环形孔光子晶体

基于光子晶体来构筑偏振无关光二极管在光电集成领域具有重大的应用价值.首先提出了一种环形孔光子晶体,能带结构显示其对横电及横磁模式同时展现出显著的方向带隙.以此构建了三角形状的环形孔光子晶体,利用时域有限差分法计算其透过谱及场分布图,发现该结构能实现偏振无关单向传输特性,然而正向透过率太低(约20%).进一步引入尺寸较小的三角形状的环形孔光子晶体构成光子晶体异质结结构,有效地提高了偏振无关单向传输性能,正向透过率增大了一倍.通过界面结构的调整,正向透过率进一步增大,优化后的环形孔光子晶体异质结结构能同时对类横电及类横磁模式入射光实现单向传输,且正向透过率达到了44%.     

Realizing mode conversion and optical diode effect by coupling photonic crystal waveguides with cavity

We propose a novel two-dimensional photonic crystal structure consisting of two line defect waveguides and a cavity to realize mode conversion based on the coupling effect. The W1/cavity/W2 structure breaks the spatial symmetry and successfully converts the even(odd) mode to the odd(even) mode in the W2 waveguide during the forward(backward)transmission. When considering the incidence of only the even mode, the optical diode effect emerges and achieves approximate 35 d B unidirectionality at the resonant frequency. Moreover, owing to the narrow bandpass feature and the flexibility of the tuning cavity, utilization of the proposed structure as a wavelength filter is demonstrated in a device with a Y-branch splitter. Here, we provide a heuristic design for a mode converter, optical diode, and wavelength filter derived from the coupling effect between a cavity and adjacent waveguides, and expect that the proposed structure can be applied as a building block in future all-optical integrated circuits.     

Kerr缺陷一维耦合腔光波导的双稳态方向性

本文提出一种只在一层高折射率介质层中掺杂Kerr介质的一维耦合腔光波导.利用一维传输矩阵理论和非线性传输矩阵方法研究了此结构的光学双稳态.根据一维传输矩阵理论分析了此结构的线性特性,包括低频带边模的偏移及场分布的特点,讨论了此结构实现双稳态的原理.研究发现:由于缺陷层中场分布与入射光方向密切相关,而缺陷层光场的局域,将激发Kerr介质的三阶非线性效应,从而改变了缺陷层的折射率,所以不同方向的入射光具有不同的双稳态阈值.利用非线性传输矩阵方法研究了光学双稳态特性.结果表明:由于缺陷层的位置导致缺陷模正方向（由左到右）入射的场分布大于反方向（由右到左）入射的场分布,正方向的阈值低于反方向的阈值,相差一倍.     

Third-Order Nonlinear Integrated Device Based on an Effective Graded-Index Waveguide for All-Optical Multistability

We present a theoretical study of all-optical multistability in an integrated device composed by a step-index nonlinear Kerr waveguide with a variable width film, providing an effective graded-index profile. The self- and cross-action of nonlinear Gaussian counterpropagating beams in this structure and a feedback controlling mechanism based on transverse modal coupling generate a multistable behavior. The results have been obtained and explained on the basis of the exact solutions of the variational problem for the counterpropagating Gaussian beams. Finally, in order to make clear the possibilities of this device, novel applications of the all-optical multistable integrated device are proposed for smart sensing.     

Third-Order Nonlinear Integrated Device Based on an Effective Graded-Index Waveguide for All-Optical Multistability

We present a theoretical study of all-optical multistability in an integrated device composed by a step-index nonlinear Kerr waveguide with a variable width film, providing an effective graded-index profile. The self- and cross-action of nonlinear Gaussian counterpropagating beams in this structure and a feedback controlling mechanism based on transverse modal coupling generate a multistable behavior. The results have been obtained and explained on the basis of the exact solutions of the variational problem for the counterpropagating Gaussian beams. Finally, in order to make clear the possibilities of this device, novel applications of the all-optical multistable integrated device are proposed for smart sensing.     

Diode-like asymmetric transmission of circularly polarized waves

Optical diode plays an important role in optical computing and information processing. In this paper, a kind of three-layered chiral metamaterial is proposed to achieve diode-like asymmetric transmission for forward and backward propagations of circularly polarized electromagnetic waves only. The metamaterial is composed of a ring–chain structure sandwiched between two identical S-shaped metallic layers with their corresponding substrates. A transparent transmission at normal incidence in one direction and a small intensity of transmission in the opposite direction are numerically demonstrated in this chiral structure. Besides, the results reveal that the bandwidth of the cross-polarization transmission of this designed structure can be tuned by varying the incident angle of circularly polarized waves.     

亮孤子在宇称时间对称波导中的传输和控制

基于光波在宇称-时间(PT)对称波导中传输的理论模型, 数值研究了亮孤子在呈高斯分布的PT对称克尔非线性平板波导中的传输和控制. PT对称波导, 要求波导的折射率分布呈偶对称, 而增益/损耗分布呈奇对称. 结果表明: 当波导的折射率分布强度为正时, PT对称波导的中心折射率最大, 即使没有自聚焦克尔非线性效应, PT对称波导也可以束缚光波, 形成波浪形光束且长距离传输; 当折射率分布强度为负时, PT对称波导的中心折射率最小, 光波的传输方向发生偏移. 而增益/损耗分布可控制光波的偏移方向: 增益/损耗分布强度为正, 光波向左偏移; 强度为负, 光波向右偏移; 强度为零时, 光波被分为两束. 且当折射率分布强度为负时, 可以很好地抑制相邻亮孤子间的相互作用. 该研究结果可为未来PT对称波导在全光控制方面的应用提供一定的理论依据.     

Bidirectionally tunable all-optical switch based on multiple nano-structured resonators using backward quasi-phase-matching

Based on the second-order nonlinearity,we present a bidirectional tunable all-optical switch at C-band by introducing backward quasi-phase-matching technique in Mg-doped periodically poled lithium niobate (MgO:PPLN) waveguide with a nano-structure called multiple resonators.Two injecting forward lights and one backward propagating light interact with difference frequency generations.The transmission of forward signal and backward idler light can be modulated simultaneously with the variation of control light power based on the basic "phase shift" structure of a single resonator.In this scheme,all the results come from our simulation.The speed of this bidirectional optical switch can reach to femtosecond if a femtosecond laser is used as the control light.