基于光子-液晶及混合等离子体波导的光信号处理技术研究

摘要

随着社会的发展和进步，光纤通信技术日益得到发展与重视。为了在最大限度的传输容量、满足客户不同的带宽需求下能够实现最小成本，光纤通信系统正不断向超大容量、超高速、超带宽、超长距离、低成本的方向迈进。在光通信网络系统中，相关光学器件的作用至关重要，因为它是光信息处理的核心部分。而在对光信号进行处理过程中，多样性多功能性的集成光学器件占据着重要的地位。
　　本论文中，研究了光子-液晶波导与混合等离子体波导中的光信号处理的相关技术。以光子-液晶波导为基本结构，研究分析了相关器件的光束控制的机理与波长可调谐特性；以混合等离子体波导为基本结构，研究分析了相关波导器件中的全光波长转换与全光逻辑运算。主要的研究成果如下:
　　研究了一种新型结构的液晶光学相控阵，该结构特点在于将液晶作为平板光波导的上包层。根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论与光栅衍射理论，研究分析了基于这种新型结构下液晶光学相控阵的传输特性，输出衍射特性和其它性能特性。研究结果表明，器件的传输电控相位延迟可以实现更大的光程差，且可进行有效地光波束控制；器件的响应时间提高了一个数量级，且其色散性能获得改善。为以后研制新型液晶光学相控阵提供了理论基础与技术设计依据。
　　提出了一种基于光子-液晶狭缝波导结构的可调谐微环谐振器。该器件由 SOI狭缝型微环和上包层向列型液晶组成，且设计特定电极结构并连接控制电压。有两个具体研究方案：第一，设计了一个的单狭缝光子-液晶波导的微环谐振器，它具有宽的波长调谐范围（～56.0 nm）和较大自由光谱范围（～28.0 nm），且驱动电压只有5V；第二，拓展研究了双狭缝光子-液晶波导的微环谐振器，该器件不仅拥有更宽的波长调谐范围（最大值为81.4 nm），还有良好的工艺容忍度。即便是考虑到结构参数以及工艺误差所带来的影响，其波长调谐范围可以维持在60 nm以上。
　　分析了一种对称型混合等离子体波导结构中的三阶非线性-四波混频(FWM)效应，该波导结构由五层Si/Si-nc/Ag/Si-nc/Si材料上下对称构成，且该混合等离子体波导可拥有极大的非线性参量值γ>104m-1W-1和很长的有效传输距离Lp～1.5 mm。同时，我们采用一种准相位匹配的FWM技术，将之应用于该混合等离子体波导光栅结构之中，可以实现C-band(1530～1565 nm)和中红外波段(2118～2180 nm)之间的高效率地波长转换。通过理论仿真实验，当波导光栅L=1000μm，λp=1800 nm时，当信号波长为C-band或中红外波段时，FWM波长转换效率分别可以到达约-17 dB和-22 dB。
　　研究了一种新型的全光逻辑门器件，该器件由高非线性硅基混合等离子体微环构成，并基于偏振相关的四波混频原理。由于硅基混合等离子体波导的亚波长半径弯曲特性，基于该波导结构我们设计出了一个半径为1μm超微小型的硅基微环。利用控制泵浦光和信号光输入偏振态，基于FWM的全关逻辑操作（非门、或非门、与非门）可以实现。该微型的全光等离子体器件稳定、工艺简单且具备SOI兼容性，且更具备微型化与集成化的潜力优势。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 光子-液晶波导器件的研究进展

1.3 混合等离子体波导器件的研究进展

1.4 论文主要内容及创新点

2 基于光子-液晶波导的光波束控制研究

2.1 引言

2.2 器件结构与工作原理

2.3 液晶指向矢分布算法与光栅衍射理论

2.4 液晶相控阵的传输与衍射特性

2.5 液晶相控阵的关键性能分析

2.6 本章小结

3 基于光子-液晶狭缝波导的可调谐微环谐振器研究

3.1 引言

3.2 相关理论与算法

3.3 光子-液晶狭缝波导

3.4 单狭缝光子-液晶波导的微环谐振器

3.5 双狭缝光子-液晶波导的微环谐振器

3.6 本章小结

4 基于混合等离子体波导光栅的全光波长转换研究

4.1 引言

4.2 四波混频的原理分析

4.3 高非线性对称型混合等离子体波导

4.4 QPM-FWM全光波长转换

4.5 本章小结

5 基于硅基混合等离子体微环的偏振型全光逻辑门研究

5.1 引言

5.2 数值算法-时域有限差分法（FDTD）

5.3 硅基混合等离子体微环

5.4 基于偏振相关FWM的全光逻辑门

5.5 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间申请专利

附录3 论文中的缩略词的含义