非线性环型腔光子晶体波导的慢光特性研究

摘要

全光缓存、全光时延线等技术是实现“全光网络”的关键技术，而通过光子晶体来达到光速减慢的慢光效果为全光缓存和全光信号处理的实现和发展提供了新的契机。光子晶体慢光的优势在于具有体积小，带宽大，并且可在常温下实现慢光等优良特性。而在光子晶体中引入非线性材料，可由于其高能量增益特性而达到更好的慢光效果，为全光缓存和全光网络的实现具有重要意义。 本文主要设计了非线性环型腔线缺陷波导与两种新型的耦合腔波导。线缺陷波导设计中对比了三角晶格与正方晶格的慢光性能，得出正方晶格结构更优，进一步优化正方晶格线缺陷波导结构得到了优质慢光。并在同结构下对比了非线性与线性、环型与圆型腔线缺陷波导的慢光特性，得出非线性环型腔线缺陷波导的慢光优势。为进一步降低群速度和提升带宽，设计构建了非线性环型与环圆等间型两种新型的耦合腔波导结构，对结构参数进行优化，得到了比线缺陷波导带宽更大色散更低的优质慢光波导。并分析验证了慢光特性与环内外半径比的规律关系，对两种耦合腔慢光波导进行了对比。 本文创新点如下： 1.通过优化设计，环型与圆型腔线缺陷波导在相同慢光群速度下，环型腔波导的带宽是圆型腔波导的近1.5倍，色散也有所减小。环型腔波导比圆型腔波导具有更好的慢光特性，而且所用材料更少，降低成本。 2.设计了一种新型的非线性环圆等间耦合腔波导，通过对环外半径R1与内半径R2进行优化，在R1=0.305a,R2=0.149a时，获得最佳的慢光效应，此时的群速度为1.44×10-4c，相应的归一化带宽为1.0×10-5，得到了低群速度和高带宽效果的慢光波导，并且具有很好的稳定性。 3.通过分析发现：耦合腔波导圆环内外半径比R1/R2的大小影响其慢光性能，并且两者大小本身也是重要的影响因素；比例大小固定的情况下，存在一组最优的R1与R2；可将R2/R1作为新的变化参数对慢光波导进行优化，比较得出最优的环内外半径比。这种研究方法为光子晶体慢光波导的研究提供了指导作用。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 全文结构

第二章 光子晶体慢光理论与分析方法

2.1 光子晶体慢光原理

2.1.1 光子晶体基本概念与特性

2.1.2 慢光概念与优化方法

2.2 非线性光子晶体概述

2.3 相关数值分析方法

2.3.1 平面波展开法

2.3.2 有限元法

2.3.3 时域有限差分法

2.4 仿真工具

第三章 非线性环型腔线缺陷波导的慢光特性

3.1 非线性环型腔三角晶格与正方晶格线缺陷慢光波导的对比

3.1.1 三角晶格与正方晶格结构物理模型

3.1.2 非线性环型腔线缺陷结构数学方法

3.1.3 线缺陷宽度对三角晶格和正方晶格慢光特性的影响与对比

3.2 优化非线性环型腔正方晶格线缺陷慢光波导结构

3.2.1线缺陷结构中圆环外半径的优化

3.2.2线缺陷结构中圆环内半径的优化

3.3 同结构圆型与环型腔波导的慢光特性对比

3.3.1 结构参数对圆型腔线缺陷波导慢光特性的影响分析

3.3.2 圆型和环型腔波导结构慢光特性的对比

3.4 同结构线性与非线性波导的慢光特性对比分析

3.4.1 线性波导结构的物理模型与研究方法

3.4.2 线性与非线性线缺陷波导慢光特性对比

3.5本章小结

第四章 非线性环型耦合腔波导的慢光特性

4.1 非线性耦合腔慢光波导的形成机制

4.2 非线性环型耦合腔波导的物理模型与数学方法

4.2.1 非线性环型耦合腔波导结构物理模型

4.2.2 非线性环型耦合腔波导结构数学方法

4.3 非线性环型耦合腔波导结构的优化

4.3.1 非线性环型耦合腔结构圆环外半径的优化

4.3.2 非线性环型耦合腔结构圆环内半径的优化

4.4 一种新型的非线性环圆等间耦合腔波导设计

4.4.1 非线性环圆等间耦合腔结构的物理模型与数学方法

4.4.2 非线性环圆等间耦合腔结构圆环外半径的优化

4.4.3 非线性环圆等间耦合腔结构圆环内半径的优化

4.4.4 环内圆与外圆半径比例大小固定情况下的慢光特性分析

4.5 环型与环圆等间型耦合腔波导的对比分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文