高品質(zhì)因子球形光子晶體以及基于光子晶體慢光波導(dǎo)的研究.pdf

1、光子晶體器件利用帶隙約束導(dǎo)光機(jī)制，具有傳統(tǒng)器件所沒有的特性，并且器件尺寸很小，適合高度集成化，是未來集成光路元件的理想選擇。因此，從光子晶體第一次被提出以來的二十幾年里，引起了廣泛的關(guān)注。本文中為光子晶體新型光器件的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究：本文設(shè)計了一種新型的球形光子晶體微腔，提出球形光子晶體的概念，該微腔具有目前報道中最高的品質(zhì)因子；提出了具有慢光封凍模的光子晶體波導(dǎo)，并進(jìn)行了數(shù)值演示；對空氣芯和混合芯二維光子晶體波導(dǎo)的色散關(guān)系進(jìn)行了

2、分析，為低損耗慢光波導(dǎo)的研究打下了基礎(chǔ)；利用轉(zhuǎn)移矩陣法對多層對稱波導(dǎo)進(jìn)行了理論上的分析，并利用Matlab對所得到的解析方程進(jìn)行數(shù)值計算，得到了相對精確的色散曲線。本課題研究光學(xué)諧振腔以及慢光波導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)，在推動集成光子器件的發(fā)展方面具有重要意義。本論文的主要研究內(nèi)容如下：第一章為緒論，綜合介紹了本文中研究課題所涉及的理論基礎(chǔ)和文獻(xiàn)綜述。緒論首先介紹了光子晶體及其相關(guān)概念，對光子晶體的理論研究方法進(jìn)行了詳細(xì)說明；介紹了光學(xué)微腔的應(yīng)用以及

3、大致的研究方向；最后介紹與慢光相關(guān)的基礎(chǔ)知識及其應(yīng)用領(lǐng)域，并對兩種典型的實現(xiàn)慢光的機(jī)制：材料色散和結(jié)構(gòu)色散進(jìn)行了分析和比較。在論文第二章，我們設(shè)計了一種新型的光學(xué)諧振腔，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將其命名為球形光子晶體微腔。為了得到極高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔，我們對其從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化。首先將三維球形結(jié)構(gòu)簡化為一維結(jié)構(gòu)，對其禁帶寬度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，接著回到球形結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的參數(shù)為：介質(zhì)的層厚、中心缺陷即諧振腔的尺寸與介電常數(shù)、球體的周期等。利用FDTD方法

4、驗證得到該結(jié)構(gòu)具有109量級的品質(zhì)因數(shù)，說明光在此諧振腔將持久駐留而不衰減。在第三章中，我們設(shè)計了非對稱性光子晶體波導(dǎo)，首次在二維光子晶體中得到封凍模?；谄胀╓1型光子晶體波導(dǎo)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過調(diào)整波導(dǎo)兩邊包層的左右相對位置和波導(dǎo)鄰近的空氣孔半徑，獲得含有拄拐點(diǎn)的色散曲線。其中所謂拄拐點(diǎn)是指即對于某個特定頻率，其一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)同時為零，而三階導(dǎo)數(shù)不等于零的點(diǎn)。在對應(yīng)的頻率點(diǎn)上，我們得到了一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)同時為零的點(diǎn)，并通過FD

5、TD仿真驗證了此模式的存在。在此基礎(chǔ)上，我們對該結(jié)構(gòu)中三階非線性效應(yīng)進(jìn)行了初步的探討和研究，在介質(zhì)硅中引入非線性效應(yīng)，考察該結(jié)構(gòu)中的參量放大現(xiàn)象，得到封凍模對應(yīng)的信號光獲得的信號增益為最強(qiáng)。進(jìn)一步驗證了慢光增強(qiáng)非線性效應(yīng)的現(xiàn)象。在第五章中，我們設(shè)計了兩種低損耗的光子晶體波導(dǎo)。第一種為空氣芯波導(dǎo)，第二類為在W2空氣芯波導(dǎo)中插入Si層形成的混合芯波導(dǎo)。兩者的目的都是通過最小化光與物質(zhì)相互作用的范圍，以降低光傳播過程中介質(zhì)對光的吸收損耗。通過

6、調(diào)節(jié)空氣芯波導(dǎo)的參數(shù)，我們盡可能將光限制在空氣中(第一類波導(dǎo))或者薄的Si層中(第二類波導(dǎo))。另外，在W2空氣芯波導(dǎo)中，我們于不同的位置插入Si條，通過插入Si層數(shù)目以及位置的變化調(diào)控其色散關(guān)系的變化趨勢。論文第六章詳細(xì)介紹了轉(zhuǎn)移矩陣法，并利用轉(zhuǎn)移矩陣法對多層對稱波導(dǎo)進(jìn)行了理論分析。利用Matlab對所得到的解析方程式進(jìn)行數(shù)值計算，得到了相對精確的色散曲線圖像，與理論吻合得非常好。并且，我們所得到的精確方程表達(dá)式為未來的優(yōu)化工作打下了良