二維光子晶體帶隙與慢光特性研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著光通信的發(fā)展，光器件的小型化和易于控制性越來(lái)越成為人們追求的目標(biāo)，這就對(duì)光通信器件的集成度要求越來(lái)越高，然而現(xiàn)有的光器件還無(wú)法滿(mǎn)足這個(gè)需求。光子晶體的概念提出之后，其以獨(dú)特的帶隙和慢光性能使得設(shè)計(jì)具有更高集成度和更好性能的光通信器件成為可能。本文主要針對(duì)二維光子晶體帶隙和慢光特性進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了具有更大絕對(duì)帶隙的光子晶體和具有更小群速度的光子晶體慢光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，初步分析了慢光在全光緩存中的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了光子晶體慢光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)制作的

2、光子晶體波導(dǎo)慢光特性進(jìn)行了測(cè)試。具體在以下幾個(gè)方面展開(kāi)工作并進(jìn)行創(chuàng)新：
　　 （1）針對(duì)三種常見(jiàn)的介質(zhì)柱橫截面分別為正六邊形，正方形和圓形的二維光子晶體，提出了一種增大光子絕對(duì)帶隙的方法。通過(guò)對(duì)介質(zhì)柱截面形狀進(jìn)行變形，即在直角坐標(biāo)系下，增大X方向長(zhǎng)度為原來(lái)長(zhǎng)度的p倍，并以原點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)角度（）。通過(guò)調(diào)整p和（）大小來(lái)降低其結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，對(duì)其進(jìn)行了大量的仿真分析，得到了具有更大的絕對(duì)帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)。改變結(jié)構(gòu)之前最大絕對(duì)帶隙率約為

3、5.3％，改變結(jié)構(gòu)之后，對(duì)于三種介質(zhì)柱三角晶格結(jié)構(gòu)的光子晶體，最大絕對(duì)帶隙率均能達(dá)到12％以上，尤其對(duì)于正方柱三角晶格光子晶體，最大絕對(duì)帶隙率達(dá)到15.1％。這種增大帶隙的方法在其他文獻(xiàn)中尚未被提及，為以后設(shè)計(jì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)的大帶隙光子晶體提供了一個(gè)重要參考。
　　 （2）通過(guò)平面波展開(kāi)法中的超胞算法對(duì)光子晶體線(xiàn)缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的慢光特性進(jìn)行了研究。當(dāng)缺陷柱半徑小于光子晶體介質(zhì)柱半徑時(shí)，隨著缺陷柱半徑的增加，導(dǎo)模中心頻率向低頻移動(dòng)，群速度

4、也越來(lái)越?。划?dāng)增大介質(zhì)柱的介電常數(shù)時(shí)，導(dǎo)模有相同的變化規(guī)律。針對(duì)這種現(xiàn)象，本論文從介電常數(shù)在平面波展開(kāi)法中的作用出發(fā)進(jìn)行了探討。然后研究了缺陷柱位置對(duì)導(dǎo)模慢光的影響，通過(guò)上下平移缺陷柱，得到具有更好線(xiàn)性的導(dǎo)模，此時(shí)群速度曲線(xiàn)相對(duì)平坦，色散值也更小。最后得到結(jié)論：缺陷柱的大小和介電常數(shù)的變化更多的是影響導(dǎo)模的慢光值，而通過(guò)調(diào)整缺陷柱上下平移的距離則能達(dá)到減小慢光群速度色散特性的目的。
　　 （3）通過(guò)改變?nèi)毕萸坏慕Y(jié)構(gòu)，研究了二維光

5、子晶體耦合腔波導(dǎo)慢光的變化情況，得到了具有極小慢光群速度的光子晶體耦合腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。首先對(duì)普通結(jié)構(gòu)光子晶體CCW慢光特性進(jìn)行了計(jì)算，隨著腔間距離的增大，腔間耦合系數(shù)越小，CCW的慢光群速度越來(lái)越小；還計(jì)算了改變普通結(jié)構(gòu)的微腔中心缺陷柱半徑后的CCW慢光值，得到單獨(dú)減小微腔缺陷柱尺寸并不能得到更小的慢光值的結(jié)論。定義慢光因子為導(dǎo)模最大群速度與真空中光速的比值，然后通過(guò)改變微腔中心缺陷柱和周?chē)膫€(gè)缺陷柱半徑的方法設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)的CCW，在中心缺

6、陷柱半徑為零的情況下得到慢光因子最小值為5.89×10-4；將中心缺陷柱尺寸影響考慮進(jìn)去之后，通過(guò)調(diào)整周?chē)膫€(gè)缺陷柱，得到最小慢光因子為3.26×10-4，這大約是對(duì)應(yīng)普通缺陷腔結(jié)構(gòu)慢光因子的1/10。另外，當(dāng)固定周?chē)膫€(gè)缺陷柱半徑在某些范圍內(nèi)時(shí)，慢光因子隨中心缺陷柱半徑的變化很小，而且慢光因子值也很小。結(jié)合光子晶體的制作可知，這種結(jié)構(gòu)在制作中對(duì)精度要求可以相對(duì)降低很多，從而具有很好的應(yīng)用價(jià)值。
　　 （4）結(jié)合慢光緩存的應(yīng)用，

7、通過(guò)緊束縛法原理介紹了CCW結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的慢光緩存參數(shù)計(jì)算方法，對(duì)耦合腔波導(dǎo)的比特長(zhǎng)度和緩存容量等進(jìn)行計(jì)算分析，看到CCW慢光緩存中延遲時(shí)間和緩存容量是相互制約的，即腔間距的增大，一方面使得耦合系數(shù)增大，從而減小了群速度，另一方面卻使得導(dǎo)模帶寬變小且比特長(zhǎng)度增加，從而減小了緩存容量。通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在9.78cm的光子晶體CCW長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)了1μs的延遲，延遲時(shí)間大約是類(lèi)似文獻(xiàn)中結(jié)果的3倍，緩存容量達(dá)到3.3kbit。通過(guò)進(jìn)一步分析得

8、出，對(duì)于CCW慢光結(jié)構(gòu)，當(dāng)微腔間距較小時(shí)，系統(tǒng)具有較小的比特長(zhǎng)度，從而緩存容量較大，此時(shí)對(duì)于慢光緩存具有較大的應(yīng)用價(jià)值；而當(dāng)微腔間距較大時(shí)，系統(tǒng)具有較大的比特長(zhǎng)度，此時(shí)雖然緩存容量較小，卻具有更小的慢光群速度，使得慢光時(shí)延較大，這種結(jié)構(gòu)更適合用于對(duì)光與物質(zhì)之間作用時(shí)間要求較長(zhǎng)的非線(xiàn)性效應(yīng)等應(yīng)用中。
　　 （5）結(jié)合測(cè)量光子晶體波導(dǎo)慢光的需求，對(duì)慢光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試原理進(jìn)行了分析，確認(rèn)了通過(guò)測(cè)試光在光子晶體波導(dǎo)中相位變化來(lái)計(jì)算等效折