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.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越成為人們追求的目標(biāo)，這就對光通信器件的集成度要求越來越高，然而現(xiàn)有的光器件還無法滿足這個需求。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。本文主要針對二維光子晶體帶隙和慢光特性進(jìn)行了研究，設(shè)計了具有更大絕對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)計了光子晶體慢光實驗平臺，對制作的

2、光子晶體波導(dǎo)慢光特性進(jìn)行了測試。具體在以下幾個方面展開工作并進(jìn)行創(chuàng)新：
　　 （1）針對三種常見的介質(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帶隙的方法。通過對介質(zhì)柱截面形狀進(jìn)行變形，即在直角坐標(biāo)系下，增大X方向長度為原來長度的p倍，并以原點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)角度（）。通過調(diào)整p和（）大小來降低其結(jié)構(gòu)對稱性，對其進(jìn)行了大量的仿真分析，得到了具有更大的絕對帶隙的光子晶體結(jié)構(gòu)。改變結(jié)構(gòu)之前最大絕對帶隙率約為

3、5.3％，改變結(jié)構(gòu)之后，對于三種介質(zhì)柱三角晶格結(jié)構(gòu)的光子晶體，最大絕對帶隙率均能達(dá)到12％以上，尤其對于正方柱三角晶格光子晶體，最大絕對帶隙率達(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)計類似結(jié)構(gòu)的大帶隙光子晶體提供了一個重要參考。
　　 （2）通過平面波展開法中的超胞算法對光子晶體線缺陷波導(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，隨著缺陷柱半徑的增加，導(dǎo)模中心頻率向低頻移動，群速度

4、也越來越??；當(dāng)增大介質(zhì)柱的介電常數(shù)時，導(dǎo)模有相同的變化規(guī)律。針對這種現(xiàn)象，本論文從介電常數(shù)在平面波展開法中的作用出發(fā)進(jìn)行了探討。然后研究了缺陷柱位置對導(dǎo)模慢光的影響，通過上下平移缺陷柱，得到具有更好線性的導(dǎo)模，此時群速度曲線相對平坦，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)。首先對普通結(jié)構(gòu)光子晶體CCW慢光特性進(jìn)行了計算，隨著腔間距離的增大，腔間耦合系數(shù)越小，CCW的慢光群速度越來越小；還計算了改變普通結(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，然后通過改變微腔中心缺陷柱和周圍四個缺陷柱半徑的方法設(shè)計新型結(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，通過調(diào)整周圍四個缺陷柱，得到最小慢光因子為3.26×10-4，這大約是對應(yīng)普通缺陷腔結(jié)構(gòu)慢光因子的1/10。另外，當(dāng)固定周圍四個缺陷柱半徑在某些范圍內(nèi)時，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)在制作中對精度要求可以相對降低很多，從而具有很好的應(yīng)用價值。
　　 （4）結(jié)合慢光緩存的應(yīng)用，

7、通過緊束縛法原理介紹了CCW結(jié)構(gòu)對應(yīng)的慢光緩存參數(shù)計算方法，對耦合腔波導(dǎo)的比特長度和緩存容量等進(jìn)行計算分析，看到CCW慢光緩存中延遲時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度增加，從而減小了緩存容量。通過對不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，在9.78cm的光子晶體CCW長度上實現(xiàn)了1μs的延遲，延遲時間大約是類似文獻(xiàn)中結(jié)果的3倍，緩存容量達(dá)到3.3kbit。通過進(jìn)一步分析得

8、出，對于CCW慢光結(jié)構(gòu)，當(dāng)微腔間距較小時，系統(tǒng)具有較小的比特長度，從而緩存容量較大，此時對于慢光緩存具有較大的應(yīng)用價值；而當(dāng)微腔間距較大時，系統(tǒng)具有較大的比特長度，此時雖然緩存容量較小，卻具有更小的慢光群速度，使得慢光時延較大，這種結(jié)構(gòu)更適合用于對光與物質(zhì)之間作用時間要求較長的非線性效應(yīng)等應(yīng)用中。
　　 （5）結(jié)合測量光子晶體波導(dǎo)慢光的需求，對慢光實驗平臺的測試原理進(jìn)行了分析，確認(rèn)了通過測試光在光子晶體波導(dǎo)中相位變化來計算等效折