基于由矩形势垒调制的三能级Λ型相干介质中的电磁感应透明（EIT）现象，提出一种实现弱光水平下全光开关的理论方案。首先，在半经典理论框架下，导出描述光脉冲在系统中动力学演化的Maxwell-Bloch方程组，并通过多重尺度法，得到描述光脉冲在矩形势垒调制下传播的非线性薛定谔方程（NLSE）。其次，系统研究了单光孤子和双光孤子对称、非对称等入射情况下矩形势垒中传播模式与截止模式的激发特性，系统分析了入射双光孤子的相位、矩形势垒的强度和宽度等对矩形势垒中不同模式传播特性的影响。最后，基于上述研究设计出一种弱光水平下，通过改变矩形势垒特征参数与入射光脉冲相位的全光开光。

本文基于原子-腔复合系统,通过对单次穿过内腔原子的耦合场的调控,实现了在原子共振中心附近,腔透射峰由单暗态向双暗态的转换,即当行波耦合场被驻波代替时,在原子共振中心,单暗态极子峰消失,同时在共振中心两侧会对称出现双暗态极子峰。理论上,结合内腔原子的吸收特性及热原子表现出的多普勒效应,得出速度不为0的原子是导致产生双暗态峰的主要诱因。实验上,通过额外引入一束反向传输的相干泵浦光,使双暗态信号放大8倍左右,有效地提高了隔离比。在此基础上,利用方波脉冲对反向耦合场的调制,实现在单一空间通道上3个不同频率信道(Δp=0,±δ)的高效光控全光开关,该结论可应用于光学二极管及量子逻辑门运算。

提出了一种新型的方形腔耦合金属波导结构, 该结构由两个相互平行的矩形金属波导和一个内嵌可连通的方形谐振腔构成。利用方形谐振腔局域表面等离子体实现带阻滤波特性, 并通过多路复用实现双端口全光等离子体开关。采用时域有限差分方法（FDTD）研究了方形腔的边长、折射率和谐振距离对强透射特性的影响。结果表明, 基于方形腔耦合金属波导结构的光开关在工作中具有较好的阻带特性和透射特性, 其最大透射率可达92%, 最小阻带透射率达0.2%, 工作波长范围为607~785nm。

作为全光计算的基本逻辑单元的重要结构,全光开关的研究进展影响着整个全光计算甚至集成光学领域的发展。设计了一种硅基二氧化硅结构的超快全光开关,并通过双色抽运探测实验对光控光开关的消光比以及开关响应时间进行了测试,实现了开关强度比为7∶1、开关时间约为500 fs的超快全光开关的设计。

为了实现紧凑结构下光的主动调控,设计了一种基于表面等离激元解复用器结构的双通道全光开关。该器件由金属-克尔非线性材料-金属的波导结构和谐振腔组成,具有主动光控功能。通过对该开光结构进行优化,实现了735 nm抽运光调控1310 nm信号光。该信号光在左右两个端口可实现输出与截止,消光比可达到29.4 dB,开关响应时间可达到50 fs。该双通道开关具有结构简单紧凑、易于集成、响应速度快等优点,将在纳米集成光学中具有重要的应用价值。

采用旋涂法和滴涂法制备了含螺噁嗪光致变色分子的不同基质薄膜，并将其应用于全光开关实验中.分别对含有螺噁嗪的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜和二氧化硅薄膜的光致变色特性进行了吸收光谱的比对研究，结果表明：螺噁嗪/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜经过多个开关周期后透射信号强度明显衰减；螺噁嗪/二氧化硅薄膜透射信号强度保持不变，具有更为优异的光学可逆性，更适合于作全光开关.在全息光开关实验中，选用螺噁嗪/二氧化硅薄膜，采用光擦除和热擦除两种方法研究了它的输出光信号衰减动力学特性，发现光擦除具有更短的响应时间.基于光擦除法研究激发光功率为5 mW、10 mW、25 mW时的光开关特性，发现当激发光为10 mW时，光栅对比度、衍射信号强度和开关对比度等特性最佳.

利用金属表面等离激元（SPP）对光波的束缚和局域增强作用，设计了一种基于金属-电介质-金属波导布拉格光栅的全光开关。根据波导的电介质材料及其结构对有效折射率的调制作用，确定了开关各结构组成部分的材料和尺寸。通过引入金属波导滤波结构对抽运光和信号光进行了有效地分离，防止了抽运光对信号光及后续光路的干扰。使用时域有限差分算法（FDTD）对开关性能进行仿真，结果表明：新设计的全光开关在抽运光的光强为50 MW/cm2 时其消光比达到7.32 dB，开关响应时间小于2 ps，结构的横向尺寸约为400 nm。

表面等离激元是束缚在金属-介质交界面上的一种电磁波模式,可突破衍射极限, 被认为是下一代集成光子回路最有希望的信息载体。就几种表面等 离激元金属狭缝结构的原理和应用做了简单概述。利用法布里-珀罗谐振腔、法诺共振、多模干涉等光学效应, 这些金属狭缝结构可对表面等离激元的传输行为进行有效地调控。在理论和实验上,利用金属狭缝结构实现了 亚波长表面等离激元单向激发器、亚微米宽带单向激发器、亚微米分束器、超紧凑纳米聚焦器件和亚微米全光开 关等纳米光子器件。这些纳米光子器件在纳米集成光学中具有重要应用。

基于非线性光学原理，周期性金属纳米结构与非线性光学材料复合可以实现全光开关。通过数值模拟周期性金属纳米结构附近的电磁场可知，周期性金属纳米结构的表面等离子体激元有着明显的局域场增强特性。这种强的局域场可以大大增加非线性材料的三阶非线性效应，使全光调控现象更明显，从而降低开关的阈值功率，并实现超快的响应速度，有望在将来全光通信网络中得到广泛应用。

利用传输矩阵法详细研究了形如(HL)kA(LH)k的含N个耦合缺陷一维光子晶体的透射相位特性。研究表明, k=0时,光子晶体的透射相移呈近线性变化;而k≥1时,透射相位曲线在整个禁带范围内呈阶梯变化,且在每个 缺陷模附近透射相位随频率迅速改变, 其相移量约等于π。当在光子晶体中引入非线性折射率材料时,折射率的微小改变将导致透射光产生π相移, 而且此相移过程中透射率接近于零,这有利于减少动态啁啾对透射光信号的影响。光子晶体这种π透射相移 特性可用于设计各种新型相位器件。根据这一原理,设计了全光开关及逻辑门并讨论了其工作原理。