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摘要：简要介绍了全光开关的发展背景以及现状，指出了发展全光开关的必要性，同时以具有良好发展前景的量子相干效应全光开关、光子晶体全光开关和波导全光开关为例，介绍了全光开关的物理实现机制和各自特点，并对全光开关的发展前景做出了合理展望。
关键词：全光开关量子相干效应光子晶体波导
1、引言
电子技术与光子技术是当今信息技术世界的两大支柱。上世纪，电子开关（即电子晶体管）的成功发明与应用，使电子技术得到了长足的发展，并取得了辉煌的成就：计算机、互联网、移动通信以及各种电子电气设备等的电子技术的应用，使人们的生活发生了彻底的转变。而光子技术的主要是作为电子技术的再发展，拓宽了电子技术的应用。从历史的发展状况来看，电子技术与光子技术均有其自身的优点：电子技术擅长信息处理，特别是数字化信息处理；光子技术擅长信息传输，具有宽带、大容量和并行处理等优点。正是因为二者各有所长，所以时至今日，在信息技术领域中，电子信息技术主要占据着数字化信息处理领域，而光子技术主要占据着信息传输和信息存储领域。
随着近几十年的发展，光子技术以其独特而明显的优势，大有取代电子技术的趋势。到目前为止，光子技术完全取代电子技术，成为信息技术的核心，只差一步之遥：用全光开关取代现有的电子开关。全光开关是一种重要的集成光子学器件，完全利用光子与介质作用来实现对光传输过程进行有效的“开”“关”控制作用。用全光开关代替电子开关，可以极大提高信息处理速度和存储量，降低功耗，因此，发展全光开关已是势在必行。
吴金辉等人在量子相干效应的理论研究中取得进展，提出了利用非对称量子阱结构中的可调谐隧穿感应量子干涉可用来实现在低温下工作的新型、高效、宽带、超快光学开关的方案。
[4]他们设计了一个非对称的量子阱结构。（如图1所示）
图1 非对称量子阱能带结构
在此结构中浅阱的基态和深阱的第一激发态近共振，存在电子隧穿，于是产生了两个新的能态|2>和|3>，二者具有很强的相干性，即隧穿诱导相干。频率分别为ωs和ωp的两个相干场（控制光和信号光）将这两个中间能态分别与浅阱的第一激发态|4>和深阱的基态|1>耦合起来。[3]由此结构中，我们可以看出，一个较弱的控制光ωs可以通过两个量子阱之间的隧穿效应来控制信号光ωp的传播特性，实现了以光信号控制光信号的全光开关功能。
量子相干效应全光开关是基于所使用材料的固有相干性来实现的，不依赖于外场驱动，具有很高的响应速度、开关效率和控制效果，对全光开关乃至整个量子理论的发展和实际应用有重要指导意义。
利用光子晶体来实现全光开关的思想，最早由Scalora在1994年提出的。当不施加作用时，探测光能够通过光子晶体；当一束抽运光作用于光子晶体时，探测光就被光子晶体全部反射回来而不能通过光子晶体，由此实现抽运光对探测光传输过程的开关控制作用。实现光子晶体全光开关的方法有：通过光子带隙迁移、通过缺陷模式迁移、通过非线性频率转换、利用光子态密度、利用双稳态效应、通过波导和微腔的耦合等。
光子晶体全光开关具有体积小的优点，为实现全光开关的集成化打开了一扇新的大门，具有良好的发展前景。
波导全光开关无论是从结构上、功能上，还是从技术上、材料上，都有较有优势，并且其繁多的种类和较为成熟的理论，也使我们相信在不久的将来，我们就能看到这种全光开关的实际原型出现。
3、结语
光子技术的优越性使我们看到了信息技术的新的发展空间。在当今的信息技术领域中，若能使用光子技术完全代替电子技术，无论在通信领域还是计算机领域，都将带来一场革命性的改变，实现低成本、低功耗、高容量、高速度的先进的信息技术，这将会再一次极大改变人们的生活，克服现阶段电子技术速度、容量有限，体积、成本、能耗较高等缺点。目前实现这一转变的瓶颈就是全光开
参考文献
李淳飞.全光开关原理[M].北京：科学出版社，2010-07-01.
龚旗煌，胡小永.超快速光子晶体全光开关研究.北京大学学报（自然科学版），2006年1月第42卷（第1期）：11～17.
[3]吴金辉，高锦岳.基于可调谐Fano干涉的超快全光开关[M].研究快讯，2006年第35卷（第2期）：100～102.
[4]Wu J-H， Gao J-Y， Xu J-H， et al Phys Rev. Lett， 2005， 95：05，7401.
关键词：全光开关量子相干效应光子晶体波导
1、引言
电子技术与光子技术是当今信息技术世界的两大支柱。上世纪，电子开关（即电子晶体管）的成功发明与应用，使电子技术得到了长足的发展，并取得了辉煌的成就：计算机、互联网、移动通信以及各种电子电气设备等的电子技术的应用，使人们的生活发生了彻底的转变。而光子技术的主要是作为电子技术的再发展，拓宽了电子技术的应用。从历史的发展状况来看，电子技术与光子技术均有其自身的优点：电子技术擅长信息处理，特别是数字化信息处理；光子技术擅长信息传输，具有宽带、大容量和并行处理等优点。正是因为二者各有所长，所以时至今日，在信息技术领域中，电子信息技术主要占据着数字化信息处理领域，而光子技术主要占据着信息传输和信息存储领域。
随着近几十年的发展，光子技术以其独特而明显的优势，大有取代电子技术的趋势。到目前为止，光子技术完全取代电子技术，成为信息技术的核心，只差一步之遥：用全光开关取代现有的电子开关。全光开关是一种重要的集成光子学器件，完全利用光子与介质作用来实现对光传输过程进行有效的“开”“关”控制作用。用全光开关代替电子开关，可以极大提高信息处理速度和存储量，降低功耗，因此，发展全光开关已是势在必行。
2、固体全光开关举例介绍
虽然到目前为止，还没有现实意义上的全光开关出现，但现已发展成多种类型的全光开关模型，这些开关都各有所长。2.1 量子相干效应全光开关
量子相干效应全光开关是基于量子相干和干涉效应的全光开关结构，通过一束控制光控制量子干涉，从而调制信号光的传播特性。实现量子相干效应的基本手段是利用外加相干场耦合原子的不同能级，使其发生关联，从而在不可分辨的量子跃迁通道之间产生干涉。[3]吴金辉等人在量子相干效应的理论研究中取得进展，提出了利用非对称量子阱结构中的可调谐隧穿感应量子干涉可用来实现在低温下工作的新型、高效、宽带、超快光学开关的方案。
[4]他们设计了一个非对称的量子阱结构。（如图1所示）
图1 非对称量子阱能带结构
在此结构中浅阱的基态和深阱的第一激发态近共振，存在电子隧穿，于是产生了两个新的能态|2>和|3>，二者具有很强的相干性，即隧穿诱导相干。频率分别为ωs和ωp的两个相干场（控制光和信号光）将这两个中间能态分别与浅阱的第一激发态|4>和深阱的基态|1>耦合起来。[3]由此结构中，我们可以看出，一个较弱的控制光ωs可以通过两个量子阱之间的隧穿效应来控制信号光ωp的传播特性，实现了以光信号控制光信号的全光开关功能。
量子相干效应全光开关是基于所使用材料的固有相干性来实现的，不依赖于外场驱动，具有很高的响应速度、开关效率和控制效果，对全光开关乃至整个量子理论的发展和实际应用有重要指导意义。
2.2 光子晶体全光开关
光子晶体作为一种新型的人造光子学材料，具有独特的光子带隙特性，能有效地控制光子的传输状态。利用光子晶体来实现全光开关的思想，最早由Scalora在1994年提出的。当不施加作用时，探测光能够通过光子晶体；当一束抽运光作用于光子晶体时，探测光就被光子晶体全部反射回来而不能通过光子晶体，由此实现抽运光对探测光传输过程的开关控制作用。实现光子晶体全光开关的方法有：通过光子带隙迁移、通过缺陷模式迁移、通过非线性频率转换、利用光子态密度、利用双稳态效应、通过波导和微腔的耦合等。
光子晶体全光开关具有体积小的优点，为实现全光开关的集成化打开了一扇新的大门，具有良好的发展前景。
2.3 波导全光开关
波导全光开关是非线性光波导器件的一种应用，主要利用光在光波导中传播时的非线性光学效应。非线性光波导器件包括频率调制型器件和强度调制型器件。频率调制型器件是将不同频率的光在波导中相互作用而产生倍频、和频、参量过程、四波混频、受激拉曼等非线性过程进而实现频率变换和能量转移的器件；强度调制型器件是基于光克尔效应，即波导介质的折射率依赖于光强度的变化效应进而实现对光强度、相位等调制的器件。典型的波导全光开关主要是基于非线性方向耦合器、非线性光纤光栅反射器、非线性Mach-Zehnder干涉仪、非线性模混合器、弧型或X-型波导等非线性波导器件而设计的全光型光学开关。波导全光开关无论是从结构上、功能上，还是从技术上、材料上，都有较有优势，并且其繁多的种类和较为成熟的理论，也使我们相信在不久的将来，我们就能看到这种全光开关的实际原型出现。
3、结语
光子技术的优越性使我们看到了信息技术的新的发展空间。在当今的信息技术领域中，若能使用光子技术完全代替电子技术，无论在通信领域还是计算机领域，都将带来一场革命性的改变，实现低成本、低功耗、高容量、高速度的先进的信息技术，这将会再一次极大改变人们的生活，克服现阶段电子技术速度、容量有限，体积、成本、能耗较高等缺点。目前实现这一转变的瓶颈就是全光开
摘自：毕业论文免费下载www.udooo.com
关的实际应用。从目前全关开关的发展来看，人们将会在不久的将来实现把全光开关从理论设计到实际应用的跨越，给信息技术以及其周边领域带来新的生机。参考文献
李淳飞.全光开关原理[M].北京：科学出版社，2010-07-01.
龚旗煌，胡小永.超快速光子晶体全光开关研究.北京大学学报（自然科学版），2006年1月第42卷（第1期）：11～17.
[3]吴金辉，高锦岳.基于可调谐Fano干涉的超快全光开关[M].研究快讯，2006年第35卷（第2期）：100～102.
[4]Wu J-H， Gao J-Y， Xu J-H， et al Phys Rev. Lett， 2005， 95：05，7401.