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光子晶体微纳集成光子器件的研究是目前介观光学领域的研究热点之一,在超高速信息处理、光计算和光互连等领域都具有非常重要的潜在的应用前景。光子晶体以其独特的光子能隙效应,成为实现微纳集成光子器件的重要基础。 论文综述了光子晶体的基本原理、光子晶体全光开关的实现及其存在的主要问题,提出利用金属一介电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的思路,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: 利用有机共轭聚合物材料P3HT、PCBM和银纳米颗粒制备出一种多组分的纳米复合材料,开展了nano-Ag:(PCBM:P3HT)纳米复合材料光子晶体全光开关的实验研究。通过将表面等离激元共振增强非线性光学效应与介电材料局域场增强非线性光学效应相结合,在400 nm泵浦激光的共振激发条件下,nano-Ag:(PCBM:P3HT)多组分纳米复合材料的非线性折射率达到10-7cm2/W量级,将全光开关的泵浦光强降低到70 KW/cm2,开关效率达到60％;利用表面等离激元共振增强的P3HT分子和PCBM分子之间的超快速电荷转移和激子的超快速弛豫过程,开关时间达到33.6ps,实现了超快速、低功率光子晶体全光开关。 利用金和多晶铌酸锂制备出一种基于一维金属-介电光子晶体的超材料。通过将金属一介电材料界面处多重布拉格散射共振增强非线性和纳米尺度多晶铌酸锂晶粒的强量子局域效应增强非线性相结合,利用波长为1300 nm的飞秒激光闭孔z-扫描测量发现,超材料的非线性折射率达到-1.4×10-11m2/W。在波长1300nm、光强为9MW/cm2的飞秒激光激发下,超材料在近红外1300 nm处的有效折射率的改变量达到1.59,使得有效折射率从正值变为负值,超材料的光学性质也从介质性变为金属性,使得探测光从高透过率状态变为低透过率状态,开关效率达到80％。利用金非平衡电子快弛豫动力过程,获得了24.2ps的超快时间响应。实现了超快速全光开关。 制备出一种一维多晶铌酸锂光子晶体,实现了基于传导共振(guidedresonarme)的Fano共振效应。进一步利用三阶非线性光学克尔效应实现了全光调谐Fano共振。通过纳米尺度多品铌酸锂品粒的强量子局域效应增强非线性,利用波长为1500nm的飞秒激光闭孔Z-扫描测量发现,多晶铌酸锂薄膜的非线性折射率达到-5×10-13m2/W。在波长为1500nm、光强为30MW/cm2的飞秒泵浦激光激发下,Fano共振中心波长移动了37nm,开关效率达到33％。通过多晶铌酸锂束缚电子的快弛豫动态过程,并得到了43ps的超快响应时间。实现了基于超快可调谐Fano共振的光开关。