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申请/专利权人：湖北第二师范学院

摘要：一种含Kerr缺陷余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器件，利用由两个余弦函数折射率介质层A、B交替组成的两个半有限光子晶体BAm和ABm与由Kerr非线性缺陷材料构成的中心层D相互耦合来实现低阈值光学双稳态。与常规光子晶体光双稳器相比较具有更低阈值和超小型的特点，可应用于光通信和集成光路的光开关、光存储等场合。中心层D为Kerr缺陷对称余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器可实现与其他集成光路器件的耦合集成。

主权项：一种含Kerr缺陷函数型光子晶体的低阈值光双稳器件，其特征在于，该含Kerr缺陷函数型光子晶体是由Kerr非线性缺陷层D构成中心层、左右两侧由余弦函数折射率介质层A、B交替组成的两个半有限光子晶体BAm和ABm的对称周期结构BAmDABm，其中m是周期数。

全文数据：含Kerr缺陷余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器件技术领域[000Ί]本发明涉及量子计算和量子通讯中的全光开关、全光存储、全光三极管和全光逻辑电路等技术领域，特别为一种含Kerr缺陷余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器件。背景技术[0002]自从1987年Yablonovitch和John提出光子晶体的概念以来，光子晶体已成为光电子材料的一个重要研究领域。光子晶体是按照晶体的对称性制备的周期性介电结构，其电磁模式像晶体中的电子态一样具有能带结构。光子晶体的能带由光子晶体的对称性、组分材料的介电函数和原胞的尺寸决定。通过改变材料的介电函数或改变原胞的大小，可以调制光子晶体带隙的位置和宽度。特别是在一维情况下，光子晶体的带隙很容易通过改变介电常数或几何结构或掺杂得到调制。一般情况下，组成光子晶体材料的介电常数或折射率为常数，其带隙的位置和带隙的宽度是固定的；如果在其中加入非线性介质层，就变成为搀杂非线性光子晶体，可实现光学双稳态。一般光子晶体中常规光学双稳态是利用带边缘的动态移动来实现，而搀杂光子晶体是借助于缺陷模的动态移动实现色散光双稳。相关研究表明，一维光子晶体是可以用作控制光学双稳态的系统，即只需紧邻非线性光子晶体旁增加额外涂层比如相位匹配层、负折射率层或亚波长层，就可以控制光双稳。因此，搀杂一维光子晶体被认为是可以制作紧凑型光学器件的系统。[0003]有文献提出一种新型的函数光子晶体的概念，这种光子晶体的介质层折射率是随空间位置变化的周期函数，光波在其中沿曲线路径传播。研究发现，为了获得这类光子晶体更宽带隙可以通过加入适当缺陷层来实现;而缺陷的色散对这类光子晶体光子带隙的影响也是值得深入研究的。[0004]最近我们利用传输矩阵法及对色散缺陷层采用洛伦兹振子模型，研究了一维含色散缺陷的Sine函数型光子晶体光子禁带和色散缺陷模，发现加入缺陷后可获得宽阔的光子禁带，隧穿缺陷模频带狭窄且附近场分布高度局域。如果将非线性缺陷引入函数型光子晶体中，可以预见在获得极宽阔的光子禁带的同时，通过调节相应参量来实现光学双稳态，这是因为禁带中的缺陷模频带狭窄，缺陷模频率处的电磁波模式态密度非常大，将十分有利于非线性效应的产生。发明内容[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适合于光子集成的、由函数型光子晶体和非线性微腔组合成的余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器件。[0006]为达到上述目的，本发明提供了一种含Kerr缺陷余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器件，该含Kerr缺陷函数型光子晶体是由Kerr非线性缺陷层D构成中心层、左右两侧由余弦函数折射率介质层A、B交替组成的两个半有限光子晶体BAdPABK的对称周期结构BAmDABm，其中m是周期数。[0007]上述结构中，A、B介质层折射率随空间位置按余弦函数变化的关系式是，介质层A和B的厚度分别为dA=a、dB=b，二者均满足，其中λ〇和ω〇分别是入射光波的中心波长和中心圆频率。[0008]上述结构，中心非线性缺陷层D的折射率关系式是，其中4为线性折射率，与光强无关;X3为其三阶电极化率;微腔长度dD满足[0009]上述结构中各参量取值分别是似⑶=3.37、πβ0=1.544、Ai=0.2、A2=0.l、a=221.388nm、b=483.21lnm，介质层A的厚度是dA=221.388nm，介质层B的厚度是dB=483.211nm;缺陷层D的线性折射率:4=4,:0，三阶电极化率x3=2.5X10-12m2·V-2,其厚度是cb=373.039nm。[0010]上述方案中，光波入射角Θ=jt12，入射波中心圆频率是[0011]本发明的有益效果：[0012]1.本发明提供的中心层为Kerr缺陷对称余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器，利用由两个余弦函数折射率介质层A、B交替组成的两个半有限光子晶体BAK和ABm与由Kerr非线性缺陷材料构成的中心层D相互耦合来实现低阈值光学双稳态。[0013]2.本发明提供的中心层为Kerr缺陷对称余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器，与常规光子晶体光双稳器相比较具有更低阈值和超小型的特点，可应用于光通信和集成光路的光开关、光存储等场合。[0014]3.本发明主要集中在Kerr非线性微腔分别与其左右两侧由余弦函数折射率介质层A、B交替组成的两个半有限光子晶体出4»和084目耦合来实现在光波频段的更低阈值双稳态的研究，所研究的中心层为Kerr缺陷对称余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器可实现与其他集成光路器件的耦合集成。附图说明[0015]图1是中心层为Kerr缺陷对称余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器结构示意图。[0016]图2是在入射光强较小，缺陷层D内非线性效应可忽略，D相当于一个线性缺陷层。[0017]图3是余弦函数型光子晶体图2的中心线性隧穿模coml=1.0029ω〇附近的双稳态、多稳态曲线。[0018]图4是周期结构BA5DΑΒ5的余弦型光子晶体在各自中心隧穿模附近的双稳态阈值随非线性微腔D的线性折射率4分别取2、3、4时的变化趋势，图4中红色数据点表示高阈值，黑色数据点表示低阈值。[0019]图5是周期结构_50_5的3丨113型光子晶体在其中心隧穿模〇^=0.9949〇0附近的双稳态阈值随非线性微腔D的线性折射率分别取2、3、4时的变化趋势。具体实施方式[0020]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。[0021]图1是中心层为Kerr缺陷对称余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器结构示意图。[0022]图2是在入射光强较小，缺陷层D内非线性效应可忽略，D相当于一个线性缺陷层。图1中取定=4.0时，周期数m分别取5、6、7时余弦函数型光子晶体不同周期数的透射谱，图1的（a、（b和（c中三个线性隧穿模分别是ωη1=〇·9805ω〇、ωη2=1·〇〇29ω〇、com3=1·025ωq;计算还发现，当4分别取2、3、4时，也有一个共同线性隧穿模ωm=1·0029ω〇。[0023]图3是余弦函数型光子晶体图2的中心线性隧穿模coml=1.0029ω〇附近的双稳态、多稳态曲线。[0024]图4是周期结构BA5DΑΒ5的余弦型光子晶体在各自中心隧穿模附近的双稳态阈值随非线性微腔D的线性折射率分别取2、3、4时的变化趋势。[0025]图5是周期结构BA5DABJ^Sinc型光子晶体在其中心隧穿模com=〇.9949ω〇附近的双稳态阈值随非线性微腔D的线性折射率分别取2、3、4时的变化趋势。Α、Β介质层折射率分布式分别戈介质层Α和Β的厚度分别为dA=p-q2=a，dB=p+q2=b，二者也是满足[0026]本实施例中，一种含Kerr缺陷函数型光子晶体的低阈值光双稳器件，该含Kerr缺陷函数型光子晶体是由Kerr非线性缺陷层D构成中心层、左右两侧由余弦函数折射率介质层A、B交替组成的两个半有限光子晶体BA»和AB»的对称周期结构BAmDABm，其中m是周期数。[0027]本发明提供的中心层为Kerr缺陷对称余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器结构示意图，如图1所示，本实例取周期数m=5,采用两种不同的余弦函数折射率介质层A、B，它们的折射率随空间位置坐标z的变化分布式分别是：其中για0=3·37、πβ0=1·544，Αι=0·l、A2=0.2、a=221.388nm、b=483·211nm，介质层A、B的厚度分别是dA=a=221.388nm、dB=b=483.211nm，A、B介质层光学厚度满足，由它们构成的半有限光子晶体BA5和AB5位于中心层D的两侧，z轴是垂直于该光子晶体界面，如图1所示；中心层D是由Kerr非线性介质构成的微腔，该Kerr非线性介质折射率是，.其中为线性折射率，与光强无关，三阶电极化率为c3=2.5XlT12m2r2，Edζ是微腔内ζ处的电场强度;微腔长度dD满足，入射光波中心圆频率=6.313〇16\1〇14瓜18，光波入射角为0=3112。[0028]由图3、图4知，含Kerr缺陷余弦函数型光子晶体实现双稳态的入射光波频率分布是离散值，即该结构只在特定的频率处才能实现双稳态。要获得低阈值双稳态，在缺陷层D光学厚度不变的条件下，非线性材料的线性折射率?&取值越低实现双稳态的阈值越低。[0029]本发明提供的中心层为Kerr缺陷对称余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器具有超小型的特点。由上述给出的具体数据可以得到本实例提供的中心层为Kerr缺陷对称余弦函数型光子晶体低阈值光双稳器沿z轴方向的总光学厚度为16.41370632_。[0030]在入射光强较小时，缺陷层D内的非线性效应可忽略，D相当于一个线性缺陷层。由于周期结构透射率与周期结构的周期数关系紧密，在取定=4.0时，周期数m=n分别取5、6、7时的含缺陷余弦函数型，其中图1中的a、（b和c中三个线性隧穿模均是：ωη1=0.9805ω〇、ωm2=1.0029ω〇、ωm3=1.025ω〇，如图2所示。由于含缺陷周期结构的频率特性与缺陷层折射率关系十分紧密，计算发现：当4分别取2、3、4时，余弦型光子晶体有一个共同线性隧穿模ωm=1.0029ω〇，这也是图2的中心隧穿模。[0031]当入射光强较大时，缺陷层D的非线性效应明显，D变为非线性微腔，此时输出光强与输入光强间的关系曲线，如图3所示，图3中给出的是余弦函数型光子晶体的图2c的中心线性隧穿模ωml=1.0029ω〇附近的双稳态、多稳态曲线。由式3可知，非线性微腔D内折射率nD将随着光强的增大而变大，其相对介电常数也变大，从而有可能导致D内总场减小，非线性效应将减弱，实现双稳态的阈值有可能随着nD增大而变大。进一步计算表明，在相同周期结构前提下，当A、B介质层折射率取余弦函数形式较取Sine函数形式时的双稳态阈值更低，如图4和图5所不。相关研究还表明，Sine函数型光子晶体双稳态阈值较常规光子晶体要低。[0032]以上仅为本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可进行若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

权利要求：1.一种含Kerr缺陷函数型光子晶体的低阈值光双稳器件，其特征在于，该含Kerr缺陷函数型光子晶体是由Kerr非线性缺陷层D构成中心层、左右两侧由余弦函数折射率介质层A、B交替组成的两个半有限光子晶体BA"和AB"的对称周期结构BAmDABm，其中m是周期数。2.根据权利要求1所述的含Kerr缺陷函数型光子晶体的低阈值光双稳器件，其特征在于，A、B介质层折射率随空间位置按余弦函数变化的关系式是；,介质层A和B的厚度分别为dA=a、dB=b，二者均满足!^中λ〇和ωQ分别是入射光波的中心波长和中心圆频率。3.根据权利要求1所述的含Kerr缺陷函数型光子晶体的低阈值光双稳器件，其特征在于，缺陷层D是具有Kerr效应的非线性介质，Kerr介质的折射率分布为其中4为线性折射率，与光强无关;X3为其三阶电极化率;Edζ是缺陷层中ζ处的电场强度;微腔长度cb满4.根据权利要求2或3所述的含Kerr缺陷函数型光子晶体的低阈值光双稳器件，其特征在于，参量取值分别是:παO=3·37，πβO=1·544，Αι=0·2，Α2=0·I，a=221·388nm，b=483.211腦，则介质层4的厚度是1\=221.38811111，介质层13的厚度是18=483.21111111;缺陷层0的线性折射率4=4.0，三阶电极化率x⑶=2·5X10-12m2·V-2，其厚度是dD=373·039nm;光波入射角θ=V12，入射波中心圆頻5.根据权利要求3所述的含Kerr缺陷函数型光子晶体的低阈值光双稳器件，其特征在于，在入射光强较小时，缺陷层D内的非线性效应可忽略，缺陷层D为一个线性缺陷层；周期结构透射率与周期结构的周期数关系紧密，当取定《^=4.0时，周期数m分别取5、6、7时的含缺陷余弦函数型光子晶体（BAmDABm都有三个线性隧穿模：ωml=〇.9805ω〇、ωm2=1.0029ω〇、com3=1.025ω〇;当4分别取2、3、4时，余弦型光子晶体有一个共同线性隧穿模Oln=1.0029ω〇〇6.根据权利要求3所述的含Kerr缺陷函数型光子晶体的低阈值光双稳器件，其特征在于，缺陷层D内折射率nD将随着光强的增大而变大，其相对介电常数也变大，缺陷层D内总场减小，非线性效应将减弱，实现双稳态的阈值随着折射率M增大而变大。

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