周期性介质中宽带无色散慢光关键技术研究

摘要

本论文主要对周期性介质结构中宽带无色散慢光的关键技术进行研究。设计了三种不同类型的慢光波导，实现了室温下低群速度低色散的宽带慢光传播。本研究工作对于推动以慢光为基础的集成光子器件的发展具有重要意义。 本论文的主要研究内容如下： 第一章为绪论，主要对本论文所涉及的理论基础和研究背景进行了综述。首先介绍了慢光技术的应用领域，及一些与慢光相关的基础知识。其次，对几种比较典型的实现慢光的机理，如：电磁感应透明技术（EIT）、相干布居振荡（CPO）、谐振耦合技术（CRS）进行了分析与比较。最后，介绍了慢光波导的研究进展，为我们后文的研究及设计提供理论依据。 论文的第二章设计了一种基于六角形晶格的二维光子晶体线缺陷波导，在结构上作了一定的创新。在线缺陷中，引入了一排椭圆型的空气孔，同时，通过改变与线缺陷相邻的外围圆型空气孔半径来调整波导的传输性能。通过适当的调谐与线缺陷相邻的空气孔的结构参数，得到了波导的最优结构。此时，波导的群速度最小，约为0.0018c，同时群速度色散（GVD）也达到最小，低于10 5(a/2 π c 2)数量级，大大降低了传输过程中信号产生的失真。接着，从色散曲线、品质因数Q、有限差分（FDTD）仿真三方面对此波导的特性进行研究。色散曲线的拐点从理论上证明了此波导的群速度和GVD 同时达到零，10 5数量级的高品质因数说明光脉冲在此波导中驻留的时间很长，时域的场强分布图再一次证明无论从纵向还是横向来看，光信号都被很好的限制在波导中央，无色散地以极慢的光速传播。 论文的第三章考虑了带宽的影响，设计了另一类结构更为简化的慢光波导，可以获得更大的延迟带宽积（DBP）。此类波导放弃了传统的二维光子晶体线缺陷波导结构，以更为简洁的空气孔阵列直波导为基础，设计了两种新颖的空气孔结构。一种采用椭圆型空气孔，另一种采用两个半椭圆交叠而成的沙漏型空气孔。本章分别从能带结构和FDTD 仿真两方面分析了这两种新型的空气孔阵列直波导。对于椭圆型波导，得到其平均群指数g n％为418，DBP达到0.166 。而对于沙漏型波导，其平均群指数g n％为87.7，DBP达到0.186 。经过与前人的研究成果进行比较，结果证实此波导的设计不仅结构较为简单，而且在DBP上也有不小的提高，进一步论证了这两种新型波导的优越性。 论文的第四章突破了群速度与带宽之间的固有限制，设计了一种新型的基于光子晶体线缺陷波导的级联型谐振腔波导结构，数值仿真实现了超大带宽的慢光传输。 本章首先考察了一种结构较为简单的单一谐振腔波导。通过对其能带的计算与分析，得到了一条极其平坦的色散曲线，满足群速度和GVD 都同时接近于零。接着，将四种具有不同共振频率的谐振腔组合在一起，设计了一种级联型的波导结构。此波导可以得到四条十分接近且平坦的能带，其最大和最小能带之间的差近似等效为一无色散超慢光模的带宽。平均群指数 ng为833，相对频率带宽d ω /ω等于2.22 × 10 -2，相当于4.3THz 。FDTD的仿真结果也很好地证实了这一波导的慢光特性。此类波导还可以进行拓展，通过增加级联的谐振腔数量，同时减小相邻谐振腔之间的频率间隔来实现一近似连续的具有超大带宽的慢光模式。这对于传统的群速度与带宽的限制来说，是一个极大的突破。 论文的第五章考虑到波导实际的制备工艺，在上一章级联波导的设计思路下，采用基于空气孔排布的六角形晶格结构。本章首先研究一种比较普遍的基于实芯线缺陷波导的谐振腔波导结构，波导中心的线缺陷采用与背景相同的介质材料。结果发现当谐振腔内空气孔半径发生改变时，所产生的能带平移量非常小，这对于宽带的应用来说是远远不够的。为了解决这一问题，本章接着引入了空气芯线缺陷，通过降低波导中心的介电常数，使光脉冲更容易耦合到两边的谐振腔内，从而可以得到较大的频率偏移。本章接着提出一种对称型的双谐振腔波导，通过对其色散曲线和场强分布的研究，发现这种结构确实可以产生两条平坦且相近的能带。于是，最后本章提出了改进的基于空气芯线缺陷的级联型谐振腔波导，在相邻的四个谐振腔内依次引入四种不同的空气孔半径，从色散曲线上来看，可以得到四条异常平坦的能带，相对频率带宽d ω /ω也可以达到2.02 × 10 -2 。相对应的静态场分布也很好地证实了这一设计思路，与谐振腔频率相同的信号分量均耦合入相应的谐振腔内。 论文的第六章对第五章提出的基于空气芯线缺陷的级联谐振腔波导结构进行了进一步改进，将波导中心的空气芯线缺陷用SiO2 线缺陷来代替，数值实现同样的超宽带慢光传输的同时，避免了制备时在第三维度上的耗散。与上两章的分析过程类似，本章首先研究了单一的谐振腔波导。通过对其能带的计算与分析，得到了一条异常平坦的色散曲线。同时，通过考察谐振腔内空气孔的不同半径对色散曲线的影响，发现能带的平移量满足设计中对超宽带的要求。接着，本章提出改进的基于SiO2线缺陷的级联型谐振腔波导，在相邻的四个谐振腔内依次引入四种不同的空气孔半径，并从色散曲线、场强分布和FDTD 仿真三方面分析了这种新型波导的性能。其色散曲线和对应的静态场分布很好地证实了这一设计思路，与谐振腔频率相同的信号分量均耦合入相应的谐振腔内。通过计算，得到此波导的平均群指数g n％为909，平均GVD 参数D 约为4.1(ps/(nm ·mm))，相对频率带宽d ω /ω等于2.02 × 10 -2，相当于有效带宽为3.9THz 。FDTD 仿真结果都很好地证实了这一理论分析。 论文的第七章提出了对波导设计进行优化设计的方法。通过引入遗传算法，同时嵌入能带计算的平面波展开法，设计了一种对波导结构参数进行优化，以达到最小群速度的优化算法。此优化算法的基本原理是：首先，设定待优化的波导结构参数为特定基因组，通过编写适应值度量函数来计算对应波矢的群速度，最后通过控制遗传算法来获得最小的群速度和最佳的波导结构。大大简化了以后的慢光波导设计流程，提高了设计的精确度。 最后，第八章对全文的结论和创新点进行了总结，并提出了未来的研究重点。