基于光子晶体的全光开关理论与应用研究

摘要

全光开关技术有着多方面的应用价值。现有手段实现的全光开关体积较大，这样就不利于未来全光器件的集成，而且有些方法对实验条件的要求极其严格。然而基于光子晶体的全光开关，有着许多无法比拟的优势。本学位论文针对光子晶体全光开关特性展开研究，提出了两种基于非线性光子晶体的全光开关结构方案，并且设计了一种基于环形腔和共振耦合腔的波分复用结构与所设计的全光开关集成。本文完成了以下三个方面的工作：
　　1)为获得一个优化的全光开关结构，在光子晶体的90度弯曲波导的基础上，进一步改进光子晶体结构，并在其中加入克尔型(Kerr)非线性介质柱，得到了非线性光子晶体全光开关结构。通过时域有限差分法(FDTD)数值分析表明，该开关结构能够实现的带宽大约为50 nm，消光比大于40 dB，阈值功率密度约为5.2 w/μm。同时，该结构还可以实现简单的逻辑功能。
　　2)研究了基于光子晶体环形腔和共振耦合微腔的波分复用特性，提出了一种可以与我们设计的光控光开关结构集成的波分复用(WDM)结构。通过改变两个共振耦合微腔中央介质柱半径的大小，实现了波长1550nm和1600nm的波分复用。另外，通过增大输出波导两端的介质柱半径，可以使得波长1550nm和1600nm的光透射率达到90％以上，实现了高效输出，分别为93.2%和90.29%，同时也获得了较窄的带宽，分别为6.4nm和2.9nm。整个器件的尺寸大约为25μm×25μm。这为未来光子集成和全光通信提供了潜在应用价值。
　　3)为了尽可能的减小开关的阈值功率，增强开关灵敏度，我们利用光子共振隧穿原理设计一种新的全光开关。利用光子的共振隧穿现象，通过对相关共振条件参数的光学手段控制（例如通过Kerr效应调节两个光子势垒之间的光程距离），提供一种新的全光开关方案。基于此原理，在光子晶体波导中添加非线性材料，不断优化参数，设计了两种通过光控光手段实现的全光开关，并对它们作了定性地分析。

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第一章 绪论

1.1 全光开关概述

1.2 全光开关的现有实现方法

1.3 光子晶体波导全光开关的研究进展

1.4 本文研究内容与结构

第二章 非线性光子晶体的理论基础与研究方法

2.1光子晶体简单介绍

2.2 平面波展开法介绍

2.3 光子晶体时域有限差分法(FDTD)介绍

2.4 光子晶体波导环形谐振腔耦合理论

2.5 光子晶体的分析工具

2.6本章小结

第三章 二维非线性光子晶体光控光开关特性研究

3.1 引言

3.2 全光开关的设计

3.3 数值计算与仿真

3.4 开关效应仿真分析

3.5 本章小结

第四章 二维光子晶体共振耦合波分复用器设计

4.1 引言

4.2 波分复用器件结构设计

4.3 数值计算与仿真分析

4.4 本章小结

第五章 基于光子共振隧穿现象的全光开关初步探讨

5.1 引言

5.2介质波导中共振隧穿现象的形成

5.3 基于光子共振隧穿现象的全光开关设计

5.4 光开关结构FDTD数值计算与仿真

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

研究生期间的研究成果