基于光子晶體波導(dǎo)的寬帶、低色散、低損耗慢光的研究及制備.pdf

1、慢光（將光速減慢）是最近十幾年人們提出的新穎話題，一經(jīng)提出，立刻吸引了全世界科學(xué)家的目光。長(zhǎng)久以來(lái)，光是人們公認(rèn)的宇宙中速度最快的物質(zhì)，其速度被認(rèn)為是不可以被改變的。隨著現(xiàn)代納米技術(shù)及集成光路的發(fā)展，特別是硅基光子學(xué)的發(fā)展，人們?cè)诮^對(duì)零度下的原子蒸汽，半導(dǎo)體量子阱，微環(huán)陣列，光子晶體波導(dǎo)中都觀察到了光速的減慢。與其他的方法相比，光子晶體波導(dǎo)具有最大的慢光帶寬，最小的慢光損耗，最小的器件體積和工作在室溫之下等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為最有發(fā)展前途。本論

2、文在“國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃(973 計(jì)劃)前期預(yù)研專項(xiàng)”和“國(guó)家自然科學(xué)基金”的支持下，重點(diǎn)研究光子晶體慢波波導(dǎo)中存在的主要問(wèn)題，設(shè)計(jì)和制備了寬帶、低色散、低損耗的光子晶體波導(dǎo)，提高了慢光的品質(zhì)因子，取得了如下成果：
　　 (1) 從平面波展開(kāi)法出發(fā)并結(jié)合時(shí)域有限差分算法，設(shè)計(jì)了一種新型的基于絕緣體上硅(silicon-on-insulator, SOI)的U 型群折射率光子晶體波導(dǎo)，通過(guò)移動(dòng)光子晶體靠近波導(dǎo)的兩排孔來(lái)獲得寬帶慢

3、光。這種新提出的U 型波導(dǎo)只修改了常規(guī)光子晶體波導(dǎo)中的一個(gè)參數(shù)，在工藝上沒(méi)有增加任何難度。并且，這種U 型波導(dǎo)可以提供極大的帶寬（>40nm）極低的色散（<2nm.ps）或極低的光速（光速減慢為原來(lái)的200倍）。更為重要的是，對(duì)此波導(dǎo)的建模仿真表明連續(xù)的改變移動(dòng)偏移量可以連續(xù)的改變慢光性能，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)可調(diào)慢光。
　　 (2)分析和總結(jié)了當(dāng)前光子晶體慢光波導(dǎo)的研究現(xiàn)狀，對(duì)文獻(xiàn)報(bào)道的各種結(jié)構(gòu)的慢光波導(dǎo)進(jìn)行了對(duì)比，分析它們慢光性能的差

4、別及其優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)過(guò)這些調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道的各種慢光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因子——“歸一化延遲-帶寬積”都小于0.3，極個(gè)別結(jié)構(gòu)具有大于0.3的“歸一化延遲-帶寬積”，但是隨著“歸一化延遲-帶寬積”
　　 的增加，慢光效應(yīng)被大大減弱（光速被增大）。也就是說(shuō)，之前提出的結(jié)構(gòu)，慢光品質(zhì)因子和慢光效應(yīng)成反比，相互制約。
　　 (3) 從推導(dǎo)“延遲-帶寬積”的公式出發(fā)，我們系統(tǒng)分析了光子晶體波導(dǎo)的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與最終的“延遲-帶寬積

5、”之間的關(guān)系，指出影響光子晶體波導(dǎo)的兩個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出了一種有效的提高光子晶體波導(dǎo)的“延遲-帶寬積”并同時(shí)維持器件的慢光效應(yīng)不變的系統(tǒng)優(yōu)化方法。我們對(duì)之前提出的U 型群折射率波導(dǎo)應(yīng)用這種優(yōu)化方法，成功的將“延遲-帶寬積”由0.15 提高到0.35，而群速度維持在c/90不變。慢光的品質(zhì)因子被提高了130％，而慢光效應(yīng)沒(méi)有被降低。我們提出的這種優(yōu)化方法也同樣適用于之前文獻(xiàn)報(bào)道的其他光子晶體慢光波導(dǎo)。
　　 (4) 我們對(duì)光子晶