混合柱形二维光子晶体禁带及慢光特性研究

摘要

为了进一步提升通信网的承载能力和服务质量,“全光网络”将是下一代网络的发展趋势。全光网络是将目前电子网络中的路由、交换、存储等处理步骤全部在光域中实现,无需“光-电-光”转换。目前光缓存器件的缺乏是实现全光网络发展的主要瓶颈,而光子晶体能够很好地满足这一需求。作为人工晶体结构它具有光子带隙和光子局域两个重要特性。利用这些特性可以实现对光子的有效控制,产生光子晶体慢光,从而能够制造实用的光缓存器件。
　　 论文从探索调节光子晶体禁带以及慢光特性的新方法着手,设计了一种新型光子晶体结构,即在同一个光子晶体中加入两种不同形状的介质柱形成混合柱形光子晶体。在建立混合柱形光子晶体仿真模型后,首先分析其禁带特性,然后在完美光子晶体中加入缺陷,制造波导慢光并计算慢光的群速度和群速度色散,最后设计了一种线缺陷与耦合腔缺陷缺结合的新型缺陷波导,分析其中禁带导模的慢光特性。论文主要的工作及创新点如下:
　　 (1)设计了同时含有圆形和正方形介质柱的光子晶体结构,将两种介质柱间隔排列形成混合柱形光子晶体。利用MPB建立这种光子晶体的仿真模型。
　　 (2)将混合柱形光子晶体与圆形和正方形单一柱形光子晶体分别在正方形和三角形晶格中进行比较,计算它们的能带分布和禁带情况,发现对于正方形晶格,混合柱形使光子晶体的TM模高阶能带向低频方向移动,禁带的宽度和位置介于正方形柱体和圆形柱体之间。在正三角形晶格中,混合柱形光子晶体出现了明显的TE模禁带。同时能带频率向低频方向移动的现象也存在于正三角形晶格混合柱形光子晶体中。
　　 (3)在混合柱形完美光子晶体中分别添加线缺陷和耦合腔缺陷,计算其中禁带导模的群速度以及群速度色散变化情况。通过不同晶格以及不同柱形光子晶体之间的比较,可以发现耦合腔缺陷能够产生更低的群速度,而在相同缺陷形式中,三角形晶格波导慢光的零色散点群速度更小。混合柱形光子晶体的零色散点群速度以及频率位置都介于圆形和正方形介质柱光子晶体之间,并且由于超胞中两种柱形的数量关系,色散曲线更接近圆形柱。
　　 (4)在完美光子晶体中加入线缺陷和耦合腔缺陷组合而成的混合缺陷,计算这种缺陷结构的能带分布。发现在混合缺陷光子晶体中能够找到更多的禁带导模,而在这些导模中,靠近禁带低频边缘的导模拥有更低的群速度和更小的色散范围,所以更适合作为慢光模式使用。