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全光开关是一种非常重要的集成光子器件,在光计算、超快速信息处理和光互联网络等领域都具有非常重要的应用前景。光子晶体以其独特的光子能隙特性,能够实现人工调控光子的传输状态,是实现集成光子器件的重要基础。光子晶体全光开关的研究是目前光电功能材料领域和光子晶体领域的前沿和热点之一。论文综述了超快时间响应、低泵浦功率光子晶体全光开关的研究现状,论述了存在的主要问题和几种实现低功率光子晶体全光开关的途径。我们提出利用CdTeS半导体量子点、Ag金属纳米颗粒与π共轭有机物MEH-PPV形成非线性纳米复合材料来获得较大的非线性光学系数和超快的非线性时间响应。开展了超快速、低功率光子晶体全光开关的研究,取得了如下创新性成果:
通过实验研究了CdTeS半导体量子点的结构性质和光学性质。由高分辨透射电子显微镜的分析可知,我们研究的CdTeS量子点的平均直径为7nm,尺寸分散度小于10％;能量色散谱的研究表明,形成CdTeS量子点的Te和S的元素比例为13:87。光致发光谱和光致发光激发谱的研究表明,CdTeS量子点具有三种重要的表面缺陷态,Cd阳离子表面缺陷态、Te和S阴离子表面缺陷态;利用表面钝化技术分析了得到了Te和S阴离子表面缺陷态能级的相对位置。
利用CdTeS量子点和有机共轭聚合物MEH-PPV制备了非线性复合材料,开展了CdTeS:MEH-PPV纳米复合材料光子晶体全光开关效应的实验研究。在400nm激光的近共振激发下,CdTeS:MEH-PPV纳米复合材料的非线性系数达到了10-7esu。利用CdTeS:MEH-PPV纳米复合材料实现的光子晶体全光开关,泵浦光强降低到1.75 MW/cm2,开关效率达到50％;利用MEH-PPV分子和CdTeS量子点之间快速的能量转移过程和量子点内部激发态载流子超快的弛豫过程,实现了开关时间为8.4 ps的超快速、低功率光子晶体全光开关。
开展了可调超快时间响应的Ag-CdTeS/MEH-PPV纳米复合材料光子晶体全光开关的研究。在CdTe:MEH-PPV复合非线性材料中掺入Ag金属纳米颗粒形成Ag-CdTeS/Mett-PPV纳米复合材料,当Ag金属纳米颗粒和CdTeS量子点掺杂的质量比分别为10％和27％时,Ag-CdTeS/MEH-PPV纳米复合材料在400nm激光共振激发下,三阶非线性系数可以达到10-5esu数量级。利用Ag-CdTeS/MEH-PPV纳米复合材料实现的光子晶体全光开关,其泵浦光功率比CdTeS/MEH-PPV纳米复合材料光子晶体全光开关要低1个数量级,其开关速度为ps量级。通过调节Ag纳米颗粒与CdTeS量子点掺杂质量比例,我们实现了开关速度可以调谐的的光子晶体全光开关。