非对称光子晶体波导的设计和宽带慢光特性的研究

摘要

未来光网络的一个发展趋势是光子器件的集成化，而其中实现全光网络最为关键的俩项技术是光缓存和全光信号处理。近年来，慢光的研究取得了进展，慢光具有很低的群速度，被认为能够为实现光缓存和全光信号处理提供有效的解决办法。同时慢光的研究结果告诉我们，慢光能够压缩光脉冲，使得光脉冲能量密度增大，从而有助于提高各类非线性光效应。光子晶体波导由于其具有体积小，易于高密度集成和室温下操作，并且具有很大的带宽和很低的色散，从而使得光子晶体波导较其他慢光的方法具有非常大的优势。
　　本论文以光子晶体的基本原理为出发点，介绍光子晶体波导的电磁理论和相关的数值方法，然后设计出俩类新型的光子晶体波导，并详细分析了它们的慢光性能和色散特性。具体的研究内容如下：
　　（1）深入讨论了光子晶体波导宽带慢光的机理，总结对比先前各类慢光波导的慢光性能，在此基础之上，基于传统的圆形空气孔光子晶体波导，通过有选择性地移动靠近波导俩侧的俩排空气孔，得到了四种非对称的波导结构。通过平面波展开法全面研究了各排空气孔位置的移动对能带曲线的影响，并且研究了慢光波导的色散特性，本研究得到了平均群折射率分别为41,50,68和114，1550 nm中心波长处的带宽分别为12.3nm，11nm，7.8nm和4.7nm的宽带慢光。所得到的四种结构的GBP均在0.3以上。之后，采用时域有限差分的方法验证了之前的计算结果，俩种方法得到的结果非常地吻合，时域上很小的脉冲展宽也证实所设计结构的低色散特性。
　　（2）探讨了近些年研究较多的狭缝型光子晶体波导，并且比较现有多种类型的狭缝型光子晶体波导的慢光性能，然后提出了一种新型的非对称狭缝光子晶体慢光波导结构，通过沿与狭缝平行方向非对称地移动线缺陷波导俩侧的俩排空气孔，打破光子晶体关于狭缝的对称性，再分别对狭缝波导中的俩种导模-W1导模和 slot导模进行了慢光优化，先后得到了六种宽带慢光结构，对于W1导模慢光，本研究得到了平均折射率分别为47，67和130，中心波长处的带宽为7.2，4.8和2.3 nm的宽带慢光；对于s lot导模慢光，本研究得到了平均折射率分别为42，55和108，1550 nm中心波长处的带宽分别为6.2nm，5.6nm和2.2nm的宽带慢光。所得到的六种最优化的结构的GBP值，相比先前的研究都有了一定的提高。随后同样采用时域有限差分的方法验证了之前的计算结果，俩种方法得到的结果也非常地吻合。

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1 绪论

1. 1 引言

1. 2 光子晶体

1. 3 光子晶体波导慢光特性，品质因子和色散

1. 4 本论文的主要研究工作

2 光子晶体波导的电磁理论基础和数值方法

2. 1 电磁理论基础

2. 2 数值方法

2. 3 本章小结

3 新型非对称W1型光子晶体慢光波导的设计

3. 1 引言

3. 2 圆形空气孔光子晶体慢光波导的研究现状

3. 3 非对称圆形空气孔光子晶体慢光波导的设计

3. 4 本章小结

4 新型非对称狭缝型光子晶体慢光波导的设计

4. 1 引言

4. 2 狭缝型光子晶体慢光波导的研究现状

4. 3 非对称型狭缝光子晶体慢光波导的设计

4. 4 本章小结

5 全文总结与展望

5. 1 全文总结

5. 2 工作展望

致谢

参考文献

附录1：攻读硕士学位期间发表的论文目录