基于光子晶体特性全光开关的设计与研究

摘要

全光开关是一种重要的光子集成器件，它完全是利用光子和介质的相互作用来实现对光传输过程的控制，在光通信、光计算、快速光信息处理等方面都有非常广阔的应用前景。光子晶体是不同折射率的介质在空间上周期性排列所构成的一种电介质微结构，其结构变化的周期与光波长在同一个量级。光子晶体在全光开关方向的应用为全光开关的发展提供了新的思路，并打开了新的局面。它使器件小型化，并能够灵活的控制光波的传输。因此基于光子晶体全关开关的研究有非常重要的意义。
　　本文提出了两种基于光子晶体波导和谐振腔耦合结构的全光开关。首先分析光子晶体全光开关的开关机理，在完整的正方晶格结构基础上设计了直波导与环形谐振腔结合的光子晶体光开关结构，根据仿真分析，调整晶格参数、占空比、原料折射率等结构参数，能够使通信波段的光波(1550nm)实现开关效应，并能够达到98%以上的通过率。
　　接着本文提出了一种基于波导和波导耦合结构的全光开关。首先分析基于此结构全光开关的开关机理，在完整的正方晶格结构基础上设计了直波导与直波导结合的光子晶体光开关结构，根据仿真分析，调整晶格参数、占空比、原料折射率等结构参数，能够使通信波段的光波(1550nm)实现开关效应，并能够达到98.8%以上的通过率。
　　最后本文提出一种基于光子晶体波导和谐振腔耦合结构的滤波器，使用Rsoft光学设计软件详细的对结构参数进行了分析和设计，使之能够对通信波段(1550nm)的光波进行滤波。
　　全光开关是一种重要的光子集成器件，它完全是利用光子和介质的相互作用来实现对光传输过程的控制，在光通信、光计算、快速光信息处理等方面都有非常广阔的应用前景。光子晶体是不同折射率的介质在空间上周期性排列所构成的一种电介质微结构，其结构变化的周期与光波长在同一个量级。光子晶体在全光开关方向的应用为全光开关的发展提供了新的思路，并打开了新的局面。它使器件小型化，并能够灵活的控制光波的传输。因此基于光子晶体全关开关的研究有非常重要的意义。
　　本文提出了两种基于光子晶体波导和谐振腔耦合结构的全光开关。首先分析光子晶体全光开关的开关机理，在完整的正方晶格结构基础上设计了直波导与环形谐振腔结合的光子晶体光开关结构，根据仿真分析，调整晶格参数、占空比、原料折射率等结构参数，能够使通信波段的光波(1550nm)实现开关效应，并能够达到98%以上的通过率。
　　接着本文提出了一种基于波导和波导耦合结构的全光开关。首先分析基于此结构全光开关的开关机理，在完整的正方晶格结构基础上设计了直波导与直波导结合的光子晶体光开关结构，根据仿真分析，调整晶格参数、占空比、原料折射率等结构参数，能够使通信波段的光波(1550nm)实现开关效应，并能够达到98.8%以上的通过率。
　　最后本文提出一种基于光子晶体波导和谐振腔耦合结构的滤波器，使用Rsoft光学设计软件详细的对结构参数进行了分析和设计，使之能够对通信波段(1550nm)的光波进行滤波。

目录

第一章 绪论

1.1 全光开关概述

1.2 光子晶体技术

1.3 光子晶体全光开关的研究进展

1.4 论文研究的目的和意义

1.5 论文安排

第二章 光子晶体的理论及研究方法

2.1平面波展开法（PWM）

2.2 时域有限差分法(FDTD)

2.3 光子晶体波导与谐振腔的耦合

2.4 光学环形谐振腔原理

2.5 本章小结

第三章 基于共振耦合光子晶体全光开关的设计

3.1基于共振耦合光子晶体全光开关的开关机理

3.2基于共振耦合光子晶体全光开关的基本结构

3.3单波导与环形谐振腔耦合的光子晶体全光开关

3.4双波导与环形谐振腔耦合的光子晶体全光开关

3.5 本章小结

第四章 基于光子定向耦合原理全光开关的设计

4.1基于光子定向耦合原理全光开关的开关机理

4.2 基于共振耦合光子晶体全光开关的结构设计

4.3基于光子定向耦合原理全光开关的结构设计

4.4 模拟仿真结果

4.5 本章小结

第五章 基于共振耦合光子晶体滤波器的设计

5.1光子晶体滤波器的滤波机理

5.2光子晶体滤波器的原料选取

5.3光子晶体滤波器的基本结构

5.4光子晶体滤波器的结构设计

5.5光子晶体滤波器结构参数的分析

5.6基于共振耦合光子晶体滤波器的设计

5.7 模拟仿真结果

5.8 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

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