周期性介質(zhì)中寬帶無色散慢光關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、本論文主要對周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)中寬帶無色散慢光的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。設(shè)計了三種不同類型的慢光波導，實現(xiàn)了室溫下低群速度低色散的寬帶慢光傳播。本研究工作對于推動以慢光為基礎(chǔ)的集成光子器件的發(fā)展具有重要意義。 本論文的主要研究內(nèi)容如下： 第一章為緒論，主要對本論文所涉及的理論基礎(chǔ)和研究背景進行了綜述。首先介紹了慢光技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，及一些與慢光相關(guān)的基礎(chǔ)知識。其次，對幾種比較典型的實現(xiàn)慢光的機理，如：電磁感應(yīng)透明技術(shù)（EIT）、相干

2、布居振蕩（CPO）、諧振耦合技術(shù)（CRS）進行了分析與比較。最后，介紹了慢光波導的研究進展，為我們后文的研究及設(shè)計提供理論依據(jù)。 論文的第二章設(shè)計了一種基于六角形晶格的二維光子晶體線缺陷波導，在結(jié)構(gòu)上作了一定的創(chuàng)新。在線缺陷中，引入了一排橢圓型的空氣孔，同時，通過改變與線缺陷相鄰的外圍圓型空氣孔半徑來調(diào)整波導的傳輸性能。通過適當?shù)恼{(diào)諧與線缺陷相鄰的空氣孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到了波導的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。此時，波導的群速度最小，約為0.0018c

3、，同時群速度色散（GVD）也達到最小，低于10 5(a/2 π c 2)數(shù)量級，大大降低了傳輸過程中信號產(chǎn)生的失真。接著，從色散曲線、品質(zhì)因數(shù)Q、有限差分（FDTD）仿真三方面對此波導的特性進行研究。色散曲線的拐點從理論上證明了此波導的群速度和GVD 同時達到零，10 5數(shù)量級的高品質(zhì)因數(shù)說明光脈沖在此波導中駐留的時間很長，時域的場強分布圖再一次證明無論從縱向還是橫向來看，光信號都被很好的限制在波導中央，無色散地以極慢的光速傳播。

4、 論文的第三章考慮了帶寬的影響，設(shè)計了另一類結(jié)構(gòu)更為簡化的慢光波導，可以獲得更大的延遲帶寬積（DBP）。此類波導放棄了傳統(tǒng)的二維光子晶體線缺陷波導結(jié)構(gòu)，以更為簡潔的空氣孔陣列直波導為基礎(chǔ)，設(shè)計了兩種新穎的空氣孔結(jié)構(gòu)。一種采用橢圓型空氣孔，另一種采用兩個半橢圓交疊而成的沙漏型空氣孔。本章分別從能帶結(jié)構(gòu)和FDTD 仿真兩方面分析了這兩種新型的空氣孔陣列直波導。對于橢圓型波導，得到其平均群指數(shù)g n％為418，DBP達到0.166 。而對于

5、沙漏型波導，其平均群指數(shù)g n％為87.7，DBP達到0.186 。經(jīng)過與前人的研究成果進行比較，結(jié)果證實此波導的設(shè)計不僅結(jié)構(gòu)較為簡單，而且在DBP上也有不小的提高，進一步論證了這兩種新型波導的優(yōu)越性。 論文的第四章突破了群速度與帶寬之間的固有限制，設(shè)計了一種新型的基于光子晶體線缺陷波導的級聯(lián)型諧振腔波導結(jié)構(gòu)，數(shù)值仿真實現(xiàn)了超大帶寬的慢光傳輸。 本章首先考察了一種結(jié)構(gòu)較為簡單的單一諧振腔波導。通過對其能帶的計算與分析，得

6、到了一條極其平坦的色散曲線，滿足群速度和GVD 都同時接近于零。接著，將四種具有不同共振頻率的諧振腔組合在一起，設(shè)計了一種級聯(lián)型的波導結(jié)構(gòu)。此波導可以得到四條十分接近且平坦的能帶，其最大和最小能帶之間的差近似等效為一無色散超慢光模的帶寬。平均群指數(shù) ng為833，相對頻率帶寬d ω /ω等于2.22 × 10 -2，相當于4.3THz 。FDTD的仿真結(jié)果也很好地證實了這一波導的慢光特性。此類波導還可以進行拓展，通過增加級聯(lián)的諧振腔數(shù)量

7、，同時減小相鄰諧振腔之間的頻率間隔來實現(xiàn)一近似連續(xù)的具有超大帶寬的慢光模式。這對于傳統(tǒng)的群速度與帶寬的限制來說，是一個極大的突破。 論文的第五章考慮到波導實際的制備工藝，在上一章級聯(lián)波導的設(shè)計思路下，采用基于空氣孔排布的六角形晶格結(jié)構(gòu)。本章首先研究一種比較普遍的基于實芯線缺陷波導的諧振腔波導結(jié)構(gòu)，波導中心的線缺陷采用與背景相同的介質(zhì)材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當諧振腔內(nèi)空氣孔半徑發(fā)生改變時，所產(chǎn)生的能帶平移量非常小，這對于寬帶的應(yīng)用來說是遠遠

8、不夠的。為了解決這一問題，本章接著引入了空氣芯線缺陷，通過降低波導中心的介電常數(shù)，使光脈沖更容易耦合到兩邊的諧振腔內(nèi)，從而可以得到較大的頻率偏移。本章接著提出一種對稱型的雙諧振腔波導，通過對其色散曲線和場強分布的研究，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)確實可以產(chǎn)生兩條平坦且相近的能帶。于是，最后本章提出了改進的基于空氣芯線缺陷的級聯(lián)型諧振腔波導，在相鄰的四個諧振腔內(nèi)依次引入四種不同的空氣孔半徑，從色散曲線上來看，可以得到四條異常平坦的能帶，相對頻率帶寬d ω

9、 /ω也可以達到2.02 × 10 -2 。相對應(yīng)的靜態(tài)場分布也很好地證實了這一設(shè)計思路，與諧振腔頻率相同的信號分量均耦合入相應(yīng)的諧振腔內(nèi)。 論文的第六章對第五章提出的基于空氣芯線缺陷的級聯(lián)諧振腔波導結(jié)構(gòu)進行了進一步改進，將波導中心的空氣芯線缺陷用SiO2 線缺陷來代替，數(shù)值實現(xiàn)同樣的超寬帶慢光傳輸?shù)耐瑫r，避免了制備時在第三維度上的耗散。與上兩章的分析過程類似，本章首先研究了單一的諧振腔波導。通過對其能帶的計算與分析，得到了一條

10、異常平坦的色散曲線。同時，通過考察諧振腔內(nèi)空氣孔的不同半徑對色散曲線的影響，發(fā)現(xiàn)能帶的平移量滿足設(shè)計中對超寬帶的要求。接著，本章提出改進的基于SiO2線缺陷的級聯(lián)型諧振腔波導，在相鄰的四個諧振腔內(nèi)依次引入四種不同的空氣孔半徑，并從色散曲線、場強分布和FDTD 仿真三方面分析了這種新型波導的性能。其色散曲線和對應(yīng)的靜態(tài)場分布很好地證實了這一設(shè)計思路，與諧振腔頻率相同的信號分量均耦合入相應(yīng)的諧振腔內(nèi)。通過計算，得到此波導的平均群指數(shù)g n％

11、為909，平均GVD 參數(shù)D 約為4.1(ps/(nm ·mm))，相對頻率帶寬d ω /ω等于2.02 × 10 -2，相當于有效帶寬為3.9THz 。FDTD 仿真結(jié)果都很好地證實了這一理論分析。 論文的第七章提出了對波導設(shè)計進行優(yōu)化設(shè)計的方法。通過引入遺傳算法，同時嵌入能帶計算的平面波展開法，設(shè)計了一種對波導結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，以達到最小群速度的優(yōu)化算法。此優(yōu)化算法的基本原理是：首先，設(shè)定待優(yōu)化的波導結(jié)構(gòu)參數(shù)為特定基因組，通