光子晶體波導(dǎo)寬帶慢光及傳播損耗特性研究.pdf

1、光器件的集成化和寬帶化是未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。其中，光緩存和全光信號處理是實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。慢光以其具有極低的群速度，被認(rèn)為是實現(xiàn)光緩存和時域光學(xué)信號處理非常有前景的解決方案。同時，慢光能夠空間壓縮器件中的光能量，從而提高各類線性、非線性光學(xué)效應(yīng)。目前，慢光的實現(xiàn)技術(shù)主要包括電磁誘導(dǎo)透明、相干布局振蕩、受激布里淵散射、光子晶體波導(dǎo)、耦合諧振光波導(dǎo)、表面等離子激元波導(dǎo)等。其中，光子晶體波導(dǎo)不僅體積小、易于實現(xiàn)高密度集成，而且可以

2、在室溫下工作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較大的帶寬和較低的色散，與其他實現(xiàn)慢光的方法相比具有很大的優(yōu)勢。
　　本論文從光子晶體的基本概念出發(fā)，介紹了光子晶體波導(dǎo)的電磁理論基礎(chǔ)與數(shù)值模擬方法，然后具體給出了幾類光子晶體波導(dǎo)的理論設(shè)計，并分析了各類波導(dǎo)的慢光特性。最后對光子晶體波導(dǎo)中的傳播損耗特性進行了較為深入的分析。全文的研究內(nèi)容如下：
　　(1)提出了兩類晶格移動型的寬帶慢光光子晶體波導(dǎo)。我們采用平面波展開法對兩類光子晶體波導(dǎo)進行了能帶計

3、算并分析了其色散特性。第一類是超晶格在沿波導(dǎo)方向為兩個晶格周期的結(jié)構(gòu)，通過有選擇性地調(diào)節(jié)靠近線缺陷的各排空氣孔的偏移量，得到了六種優(yōu)化的慢光波導(dǎo)。當(dāng)群折射率的波動范圍限制在10％范圍內(nèi)，實現(xiàn)了平均群折射率分別為31，44，61，71，94和132，在1550 nm中心波長處對應(yīng)的帶寬分別為19.1 nm，13.0 nm，9.0 nm，7.5 nm，5.5 nm和3.6 nm的寬帶慢光。六種優(yōu)化慢光波導(dǎo)的群折射率帶寬積均保持在0.3以上。

4、第二類是超晶格在沿波導(dǎo)方向為三個晶格周期的結(jié)構(gòu)，同樣是通過調(diào)節(jié)各排空氣孔的偏移量，我們得到了五種優(yōu)化的慢光波導(dǎo)，實現(xiàn)了平均群折射率為24，33，46，57和66，在1550 nm中心波長處對應(yīng)的帶寬分別為24.2 nm,17.6 nm,12.8 nm,10.1 nm和8.6 nm的寬帶慢光，其群折射率帶寬積基本保持在0.37左右。使用了時域有限差分方法對幾種優(yōu)化的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行仿真。時域仿真的結(jié)果與平面波展開法得到的結(jié)果非常吻合，時域上極

5、小的脈沖展寬也證實了慢光波導(dǎo)的低色散特性。
　　(2)基于橢圓形空氣孔的光子晶體結(jié)構(gòu)，提出了兩類不同的寬帶慢光光子晶體波導(dǎo)。第一類是超晶格在沿波導(dǎo)方向為一周期的結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)第一排橢圓孔的方位角第三排橢圓孔的偏移量，我們得到了四種優(yōu)化的慢光波導(dǎo)，實現(xiàn)了平均群折射率分別為46,63,78和100時，在1550 nm中心波長處對應(yīng)的帶寬分別為13.5 nm,9.4 nm,7.8 nm和6.1 nm的寬帶慢光。四種優(yōu)化慢光波導(dǎo)的群折射率

6、帶寬積均保持在0.39左右。第二類是超晶格在沿波導(dǎo)方向有兩個晶格周期的結(jié)構(gòu)，通過有選擇性調(diào)節(jié)某些處于第一排的橢圓孔的排列方式和位置，我們得到了三種優(yōu)化的慢光波導(dǎo)，實現(xiàn)了平均群折射率為54,69和80，在1550 nm中心波長處對應(yīng)的帶寬分別為12.7 nm,10.0 nm,和8.6 nm的寬帶慢光。其群折射率帶寬積保持在0.44左右。我們通過二維時域有限差分方法計算了相對時域脈沖展寬來驗證了慢光波導(dǎo)的低色散特性。
　　(3)從微擾

7、理論出發(fā)，系統(tǒng)分析了造成傳播損耗的兩種主要機制，即后向散射損耗和平面外損耗，并計算分析了三種不同類型波導(dǎo)的傳播損耗，包括W1波導(dǎo)以及兩種色散管理波導(dǎo)。我們通過對比各類波導(dǎo)的后向散射損耗和平面外損耗分量大小，指出無論對于何種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，傳播損耗的最主要來源都是后向散射損耗，并且發(fā)現(xiàn)即使在同一個波導(dǎo)中，對于處于相同的群折射率的不同波長的光的傳播損耗也不相同，即傳播損耗和ng并不是一一對應(yīng)的關(guān)系，從而證明傳播損耗的大小并非直接跟群折射率相關(guān)。此

8、外，我們對比了W1波導(dǎo)和色散管理波導(dǎo)的模場強度分布圖，并分別計算了來自靠近波導(dǎo)的前三排空氣孔的散射造成的傳播損耗。發(fā)現(xiàn)色散管理波導(dǎo)在折射率較高時傳播損耗低于W1波導(dǎo)是由于抑制了來源于第一排空氣孔的散射損耗。最后，給出了傳播損耗和波矢量k的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)無論ng關(guān)于波長是不是單調(diào)變化的，傳播損耗和波矢量k都是一一對應(yīng)的關(guān)系，從而表明描述系統(tǒng)的基本量是波矢量k，而不是群折射。指出了實現(xiàn)低損耗寬帶慢光的設(shè)計規(guī)則是減少第一排空氣孔處的光場分布大