基于光子晶体波导慢光及其光缓存的应用研究

摘要

慢光就是减小光在介质中的传播速度。近年来，因为慢光技术可以增强光纤传输的非线性效应，增大激光器Q值，是实现构成全光网络中光学器件的关键技术等原因，而受到人们的关注。利用光子晶体波导实现慢光相对于其它的慢光技术而言具备很多优势，包括就是光子晶体结构灵活，在常温下实现慢光，结构小巧。其中引人关注的优势是光子晶体结构灵活，可以通过对结构的微调实现对慢光性能的控制，这样不仅可以用于光缓存器设计，还可以用于增强介质的非线性效应，在被动和主动集成光学器件领域具有广阔的前景。
　　因为光子晶体中格矢夹角大于60°时，可以使慢光的性能更加优良，本文将正方晶格逆时针旋转45度，引入线缺陷形成W1型线缺陷波导，利用平面波展开法（PWE）对所设计的光子晶体波导结构进行分析，得到对应的群速度，群速度色散，归一化延时带宽积等慢光性能参数。通过改变填充比大小，其中包括改变介质柱半径，第一排或第二排介质柱半径，群速度随着填充比（介质柱的半径）的增大都先增大后减小，而且不同的填充比所对应的群速度色散的平坦带的频率分布范围不一样。其中采用改变填充比实现的群速度的峰值最小值为0.028c，实现的最大归一化延时带宽积为0.5421。通过微调波导宽度同样可以优化慢光的某些性能参数，在牺牲部分归一化延时带宽积的条件下，使慢光的最大群速度达到了0.00789c。将正方晶格逆时针旋转45度，引入点缺陷，形成光子晶体耦合腔波导结构，采用相同的方法对其慢光参数进行定量分析，在牺牲群速度的条件下，可以使归一化延时带宽积明显增大，最大归一化延时带宽积达到了0.6745。
　　最后详细的介绍了一些衡量缓存器的性能参数，其中主要包括缓存时间，缓存容量和缓存比特长度。并将所设计的长度为1mm的光子晶体线缺陷波导结构应用到光缓存中，通过理论计算，可以实现最大的缓存容量为457.9bit，最大的延时时间为209.96ps，最大的缓存比特长度为6.2?m。

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第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2光子晶体

1.3实现慢光的技术方法

1.4在第一排孔中引入介质柱

1.5水平平移邻近波导的第一排空气孔

1.4光子晶体的应用

1.5国内外光子晶体慢光的研究进展

1.6本论文的主要工作

第二章 光子晶体实现慢光的理论分析

2.1光子晶体的本征方程

2.2光子晶体的理论计算方法

2.3光子晶体产生慢光的原理

2.4光在介质中传输的几种速度

2.5慢光的相关参数

2.6本章小结

第三章 二维正方晶格光子晶体线缺陷波导慢光特性研究

3.1二维正方晶格光子晶体波导的结构

3.2改变结构参数对二维光子晶体线缺陷波导慢光特性的影响

3.3本章小结

第四章 光子晶体耦合腔波导实现慢光及其性能分析

4.1耦合腔的结构设计

4.2对耦合腔的结构进行微调

4.3本章小结

第五章 新型光子晶体波导缓存性能分析

5.1缓存器的性能分析

5.2新型光子晶体线缺陷波导应用于慢光的缓存

5.3色散对线缺陷波导缓存能力的影响

5.4耦合腔波导的缓存性能分析

5.5本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

附录 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢