二维光子晶体带隙与慢光特性研究及结构优化设计

摘要

随着光通信的发展，光器件的小型化和易于控制性越来越成为人们追求的目标，这就对光通信器件的集成度要求越来越高，然而现有的光器件还无法满足这个需求。光子晶体的概念提出之后，其以独特的带隙和慢光性能使得设计具有更高集成度和更好性能的光通信器件成为可能。本文主要针对二维光子晶体带隙和慢光特性进行了研究，设计了具有更大绝对带隙的光子晶体和具有更小群速度的光子晶体慢光波导结构，初步分析了慢光在全光缓存中的应用，并设计了光子晶体慢光实验平台，对制作的光子晶体波导慢光特性进行了测试。具体在以下几个方面展开工作并进行创新：
　　 （1）针对三种常见的介质柱横截面分别为正六边形，正方形和圆形的二维光子晶体，提出了一种增大光子绝对带隙的方法。通过对介质柱截面形状进行变形，即在直角坐标系下，增大X方向长度为原来长度的p倍，并以原点为中心旋转角度（）。通过调整p和（）大小来降低其结构对称性，对其进行了大量的仿真分析，得到了具有更大的绝对带隙的光子晶体结构。改变结构之前最大绝对带隙率约为5.3％，改变结构之后，对于三种介质柱三角晶格结构的光子晶体，最大绝对带隙率均能达到12％以上，尤其对于正方柱三角晶格光子晶体，最大绝对带隙率达到15.1％。这种增大带隙的方法在其他文献中尚未被提及，为以后设计类似结构的大带隙光子晶体提供了一个重要参考。
　　 （2）通过平面波展开法中的超胞算法对光子晶体线缺陷波导结构的慢光特性进行了研究。当缺陷柱半径小于光子晶体介质柱半径时，随着缺陷柱半径的增加，导模中心频率向低频移动，群速度也越来越小；当增大介质柱的介电常数时，导模有相同的变化规律。针对这种现象，本论文从介电常数在平面波展开法中的作用出发进行了探讨。然后研究了缺陷柱位置对导模慢光的影响，通过上下平移缺陷柱，得到具有更好线性的导模，此时群速度曲线相对平坦，色散值也更小。最后得到结论：缺陷柱的大小和介电常数的变化更多的是影响导模的慢光值，而通过调整缺陷柱上下平移的距离则能达到减小慢光群速度色散特性的目的。
　　 （3）通过改变缺陷腔的结构，研究了二维光子晶体耦合腔波导慢光的变化情况，得到了具有极小慢光群速度的光子晶体耦合腔波导结构。首先对普通结构光子晶体CCW慢光特性进行了计算，随着腔间距离的增大，腔间耦合系数越小，CCW的慢光群速度越来越小；还计算了改变普通结构的微腔中心缺陷柱半径后的CCW慢光值，得到单独减小微腔缺陷柱尺寸并不能得到更小的慢光值的结论。定义慢光因子为导模最大群速度与真空中光速的比值，然后通过改变微腔中心缺陷柱和周围四个缺陷柱半径的方法设计新型结构的CCW，在中心缺陷柱半径为零的情况下得到慢光因子最小值为5.89×10-4；将中心缺陷柱尺寸影响考虑进去之后，通过调整周围四个缺陷柱，得到最小慢光因子为3.26×10-4，这大约是对应普通缺陷腔结构慢光因子的1/10。另外，当固定周围四个缺陷柱半径在某些范围内时，慢光因子随中心缺陷柱半径的变化很小，而且慢光因子值也很小。结合光子晶体的制作可知，这种结构在制作中对精度要求可以相对降低很多，从而具有很好的应用价值。
　　 （4）结合慢光缓存的应用，通过紧束缚法原理介绍了CCW结构对应的慢光缓存参数计算方法，对耦合腔波导的比特长度和缓存容量等进行计算分析，看到CCW慢光缓存中延迟时间和缓存容量是相互制约的，即腔间距的增大，一方面使得耦合系数增大，从而减小了群速度，另一方面却使得导模带宽变小且比特长度增加，从而减小了缓存容量。通过对不同结构进行计算，在9.78cm的光子晶体CCW长度上实现了1μs的延迟，延迟时间大约是类似文献中结果的3倍，缓存容量达到3.3kbit。通过进一步分析得出，对于CCW慢光结构，当微腔间距较小时，系统具有较小的比特长度，从而缓存容量较大，此时对于慢光缓存具有较大的应用价值；而当微腔间距较大时，系统具有较大的比特长度，此时虽然缓存容量较小，却具有更小的慢光群速度，使得慢光时延较大，这种结构更适合用于对光与物质之间作用时间要求较长的非线性效应等应用中。
　　 （5）结合测量光子晶体波导慢光的需求，对慢光实验平台的测试原理进行了分析，确认了通过测试光在光子晶体波导中相位变化来计算等效折射率变化的方法，并在此基础上设计了实验平台。用聚焦离子束方法（FIB）进行光子晶体波导制作，并对制作的W1型光子晶体波导进行慢光测试，得到其群折射率曲线。针对1560nm处的群折射率，通过光示波器进行延迟验证，得到4.7ps左右的延迟，与群折射率曲线结果吻合。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 光子晶体简介

1.2.1 光子晶体分类

1.2.2 光子晶体基本特性

1.3 光子晶体在光通信领域的应用

1.4 光子晶体制作技术

1.5 国内外慢光发展现状

1.6 论文的主要工作

1.7 论文结构

参考文献

第二章 光子晶体数值仿真方法

2.1 平面波展开法

2.1.1 麦克斯韦方程组

2.1.2 本征方程

2.2 时域有限差分法

2.3 传输矩阵法

2.4 散射矩阵法

2.5 本章小结

参考文献

第三章 二维光子晶体带隙特性分析

3.1 二维介质柱光子晶体带隙

3.1.1 正常截面形状介质柱光子晶体带隙

3.1.2 变形介质柱截面光子晶体带隙

3.2 本章小结

参考文献

第四章 二维光子晶体线缺陷波导慢光研究

4.1 光子晶体波导慢光的形成

4.2 PWE中的超胞算法

4.3 光子晶体线缺陷波导慢光分析

4.3.1 缺陷柱半径对波导慢光的影响

4.3.2 缺陷柱介电常数对波导慢光的影响

4.3.3 缺陷柱位置对波导慢光的影响

4.4 本章小结

参考文献

第五章 二维光子晶体耦合腔波导慢光研究

5.1 普通结构光子晶体耦合腔波导慢光

5.1.1 微腔间距对CCW慢光的影响

5.1.2 微腔缺陷柱半径对CCW慢光的影响

5.2 新型微腔结构慢光特性

5.2.1 微腔中心缺陷柱半径为零的慢光特性

5.2.2 微腔中心缺陷柱半径变化的慢光特性

5.3 光子晶体CCW慢光缓存特性研究

5.3.1 紧束缚法对光子晶体CCW的分析

5.3.2 CCW慢光缓存性能

5.4 本章小结

参考文献

第六章 光子晶体慢光实验测试

6.1 慢光实验平台测试原理

6.2 实验平台器件参数需求分析与设备选取

6.2.1 光源部分所需仪器设备

6.2.2 光子晶体波导材料

6.2.3 光纤透镜

6.2.4 光纤微调架

6.2.5 网络分析仪

6.3 PCW制作及实验测试

6.3.1 PCW制作

6.3.2 PCW慢光实验测试

6.4 本章小结

参考文献

第七章 总结

缩略语

致 谢

攻读博士学位期间发表论文