基于类EIT效应的慢光特性研究

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随着光信息科技的快速发展,光器件的低功耗、超快非线性响应、小尺寸和高度集成化成为未来全光通信发展的必然趋势。其中,光缓存和光开关是实现全光通信的关键技术。慢光具有极低的群速度,被认为是全光通信和量子信息处理技术中实现光缓存和光开关功能的最具潜力的应用方案。同时,慢光能够增强光学非线性效应。当前,实现慢光的途径主要有材料色散机制和结构色散机制,其中包括:电磁诱导透明(EIT)、相干布居振荡、受激布里渊散射、耦合谐振诱导透明、等离子体激元诱导透明等等。其中谐振腔边耦合波导系统中的类EIT现象为实现超快调控,大的群延时动态调谐范围,突破延迟-带宽积限制的慢光提供了崭新的研究方向。  本研究主要内容包括:⑴在硅基光子晶体双L3腔边耦合W1波导系统中,研究了一种类EIT效应相移倍增效应。为了实现类EIT效应的快速调控,采用响应时间为皮秒量级的双光子吸收效应诱导的自由载流子等离子色散效应调制机制。在外加泵浦光作用下,通过调谐光子晶体线波导的传输相位,类EIT系统的透射谱相移会随着线波导的传输相位加倍。当光子晶体线波导的传输相位调谐0.5π和π相移时,系统获得类EIT效应透射光谱π和2π相移。因此,我们在光子晶体双L3腔边耦合W1波导系统中发现类EIT效应相移倍增现象。利用该效应,泵浦光使波导传输相位变化0.5π时,系统获得类EIT效应透射光谱π相移,所以能够有效的降低系统获得π相移的泵浦光功率。通过时域有限差分法仿真验证了系统的类EIT效应相移倍增效应。⑵在基于GaInP材料光子晶体双L3腔边耦合W1波导系统中,研究了一种超快的和动态可调谐的类EIT效应群延时调谐机制。为了实现类EIT效应的超快调控,采用响应时间为亚皮秒甚至飞秒量级的光学Kerr效应调制机制。通过采用频率失谐量调谐机制,类EIT系统的群延时控制在5.88 ps-70.98 ps之间,获得类EIT效应慢光大的调控范围;同样的,通过采用波导传输相位调谐机制,类EIT系统的群延时控制在1.86 ps-12.08 ps之间,可以对类EIT效应慢光进行微调。通过时域有限差分法仿真验证了理论计算结果。⑶在基于石墨烯-Ag复合材料结构的双纳米盘腔边耦合表面等离子体激元波导系统中,研究了低功耗、超快的和动态可调谐的等离子体类EIT效应及慢光特性。采用光学Kerr效应调制机制实现超快调控。通过动态的调控等离子体激元波导的传输相移,当泵浦光强为5.85MW/cm2时,类EIT系统能够实现透射光谱π相移,由于基于石墨烯-Ag复合材料结构等离子体激元波导具有大的等效光学Kerr非线性系数,以及表面等离子体激元局域光场和等离子体类EIT效应慢光对光学Kerr效应大的增强特性,所以大大降低了系统获得透射光谱π相移的泵浦光强。等离子体类EIT效应透明窗口的可调谐带宽约为4nm,系统的群延时控制在0.09 ps-0.4ps之间。耦合模式理论计算结果很好的吻合了时域有限差分法仿真模拟结果。这些研究结果对于低功耗、超快非线性响应和小尺寸光子器件的设计和制作具有一定的理论指导意义。
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