非线性光子晶体中绝对禁带结构及微腔耦合特性研究

摘要

近年来，随着光通信的发展，打破光通信系统的“电子瓶颈”，实现全光信息交换处理已经成为光通信领域的研究热点。作为全光网络中的核心器件的光缓存器，无疑就成为了人们研究的重中之重。但是，就现有的光器件而言，尚不能满足全光通信需求。光子晶体的概念提出之后，与其他慢光材料相比其具有独特的带隙与慢光特性，且光子晶体波导慢光结构结具有大带宽、体积小、波导结构设计多样化等特性，且便于与其他光器件集成，可用于慢光特性的人为调控，因此光子晶体使得光缓存技术成为可能。
　　论文主要对非线性光子晶体中的禁带结构以及微腔耦合特性进行了研究。设计了具有较大绝对禁带的多阶晶格嵌套非线性光子晶体结构和具有较好慢光特性的非线性光子晶体耦合腔波导。论文主要的工作及创新点如下:
　　(1)分别研究了多种介电常数的介质背景材料对正方形晶格以及六角形晶格的非线性光子晶体绝对禁带的影响，并进行了分析比较。研究发现，在材料几何特性固定的情况下:正方形晶格结构中随着介质背景材料介电常数的增大，TE模式的相对禁带不断下移并与TM模式的相对禁带相交形成绝对禁带，之后随着相背景材料介电常数的增大，绝对禁带所处频段不断下降，绝对禁带宽度则不断增加;六角形晶格结构中随着介质底材介电常数的增大，绝对禁带所处频段先上升后下降，绝对禁带宽度则与介电常数呈正相关。
　　(2)设计了多阶晶格嵌套的非线性光子晶体，以获得更大的绝对禁带宽度。在正方形晶格与六角形晶格的基础上，设计了三种晶格嵌套方式并使格嵌套阶数不断增加，并对其产生的不同禁带特征进行了分析比对。结果表明，与不采用晶格嵌套的光子晶体结构相比:在正方形晶格中，嵌套型的非线性光子晶体随着嵌套阶数的增加能开辟更多的绝对禁带，且绝对禁带宽度也会随之增加;在六角形晶格中，嵌套型的非线性光子晶体可以开辟更多的绝对禁带，但是禁带宽度不会明显增加。
　　(3)构造了单缺陷腔非线性光子晶体耦合微腔波导，并研究了微腔中心缺陷柱的半径变化对耦合微腔波导慢光特性的影响。仿真结果表明:单缺陷腔波导慢光的群速度随着微腔中心缺陷柱半径的扩大而增大，群速度数量级维持在10-2c（c为真空光速）;扩大微腔中心缺陷柱半径对延迟时间Ts和微腔Q值的改善效果不明显，其数量级分别基本保持在10-2和102;而扩大微腔中心缺陷柱半径却可以有效增加归一化延迟带宽积(NDBP)值并可以使得波导的NDBP值保持在0.3以上，实现了较好的延迟带宽特性。
　　(4)建立了双缺陷腔非线性光子晶体耦合微腔波导模型，并研究了微腔中心缺陷柱的半径变化对耦合微腔波导慢光特性的影响。仿真结果表明，随着微腔中心缺陷柱半径的扩大，双缺陷腔微腔波导的归一化延迟带宽积(NDBP)值随着微腔中心缺陷柱半径的扩大保持在0.2左右;波导群速度数值不断降低，数量级维持在10-3c，相比于单缺陷腔，双缺陷腔可以更有效地降低微腔波导慢光的群速度;而就Q值和延迟时间而言，双缺陷腔中的Q值和延迟时间Ts（ns）随着微腔中心缺陷柱半径的扩大亦不断增加，分别达到103和101的数量级，相比于单缺陷腔具有更好的腔体能量与时延特性。