新型二維光子晶體微環(huán)的研究及應(yīng)用.pdf

1、光環(huán)諧振器由于具有很高的光譜選擇性、大自由程FSR等優(yōu)點(diǎn),其已引起了人們的廣泛應(yīng)用興趣,如在光濾波器,光傳感器,光調(diào)制器,光開關(guān)以及腔動(dòng)力學(xué)的非線性器件等方面具有大量的應(yīng)用。迄今為止,環(huán)諧振器已成功地在諸如光纖,低折射率對(duì)比度材料(定義為△n<2,如聚合物),高折射率對(duì)比度材料(定義為△n≥2,如SOI)中實(shí)現(xiàn)。一般說來,光纖環(huán)體積龐大難以實(shí)現(xiàn)光集成；而具有潛在設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)的則是基于平板波導(dǎo)技術(shù)的微型波導(dǎo)環(huán),俗稱耳語回廊模式(WGM)微環(huán)。

2、然這種WGM環(huán)受全內(nèi)反射機(jī)理限制,其傳播損耗會(huì)隨著環(huán)尺寸的減小而劇增,這無疑阻滯了器件的進(jìn)一步小型化,實(shí)際應(yīng)用中,環(huán)的半徑極限一般在3μm左右。此外.它們的性能還很敏感于表面粗糙度以及環(huán)與公共波導(dǎo)通道(Bus)之間的間隙,這又給實(shí)際制造帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)。另一方面,光子晶體由于其獨(dú)特的可在波長(zhǎng)尺度內(nèi)控光能力給超小型光集成帶來了希望。
　　 本論文以光子晶體為平臺(tái),基于自準(zhǔn)直效應(yīng)及帶隙效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種新型的光子晶體微環(huán)結(jié)構(gòu),即45°微

3、環(huán),應(yīng)用平面波展開法和時(shí)域有限差分法對(duì)新結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行了數(shù)值分析,然后結(jié)合光束干涉原理提出并設(shè)計(jì)了基于新型二維光子晶體微環(huán)的分插濾波器和邏輯門。主要研究工作和成果如下:
　　 1.利用二維光子晶體帶隙效應(yīng)和自準(zhǔn)直原理,設(shè)計(jì)和計(jì)算了基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的新型光子晶體微環(huán)光分插濾波器,即將二維光子晶體的Bus波導(dǎo)與自準(zhǔn)直環(huán)集成在一起構(gòu)成一種新型的光分插濾波器。整個(gè)器件設(shè)計(jì)過程無須考慮模式的變化,使得結(jié)構(gòu)更加緊湊、設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。
　　

4、 2.設(shè)計(jì)了一種沿著ГM方向而非傳統(tǒng)ГX方向移除介質(zhì)柱形成新型光子晶體微環(huán),比較了新型微環(huán)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)微環(huán)結(jié)構(gòu)在傳輸強(qiáng)度、下路效率和品質(zhì)因數(shù)等方面的異同,分析了新型微環(huán)物理參數(shù)改變時(shí)對(duì)其光譜特性產(chǎn)生的影響,新型微環(huán)的有效半徑可以小于2.2μm,同時(shí)在1550nm工作波長(zhǎng)時(shí),其可以提供高于830的品質(zhì)因子和90％的下路效率,無疑為克服傳統(tǒng)波導(dǎo)微環(huán)的局限性提供了可能。
　　 3.利用光束干涉原理,設(shè)計(jì)了一種新型光子晶體微環(huán)邏輯門的結(jié)

5、構(gòu),即一種沿著ГM方向移除介質(zhì)柱形成新型光子晶體微環(huán)的全光邏輯門的結(jié)構(gòu),系統(tǒng)地分析了本結(jié)構(gòu)物理參數(shù)以及邏輯門控制端光源的初相位的改變對(duì)輸出端歸一化強(qiáng)度譜的影響,同時(shí)給出了邏輯“0”和邏輯“1”的定義,該結(jié)構(gòu)僅需要一個(gè)光子晶體微環(huán)和單個(gè)操作波長(zhǎng)且無需考慮引入非線性材料就能分別實(shí)現(xiàn)或非邏輯門和非邏輯門的功能。對(duì)于操作波長(zhǎng)1550m,有望對(duì)下一代硅基材料的全光邏輯光路、超高速信號(hào)處理和高容量全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到作用。
　　 本文的創(chuàng)新點(diǎn)

6、:本文將二維光子晶體的帶隙理論和自準(zhǔn)直效應(yīng)的原理相結(jié)合,設(shè)計(jì)出了基于自準(zhǔn)直效應(yīng)及帶隙混合效應(yīng)的光子晶體微環(huán)結(jié)構(gòu):沿著ГM方向而非傳統(tǒng)ГX方向移除介質(zhì)柱形成新型光子晶體微環(huán),設(shè)計(jì)了新型二維光子晶體帶隙效應(yīng)微環(huán)結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)更小,光譜選擇性更好,可用于超小型波分復(fù)用組件和高密度光子集成；將新型二維光子晶體帶隙效應(yīng)微環(huán)和Y型缺陷波導(dǎo)結(jié)合,設(shè)計(jì)出了一種基于新型二維光子晶體帶隙效應(yīng)微環(huán)的全光邏輯門的結(jié)構(gòu),本邏輯門與目前報(bào)道的邏輯門相較具有:單個(gè)操作