高品質(zhì)因子球形光子晶體以及基于光子晶體慢光波導的研究.pdf

1、光子晶體器件利用帶隙約束導光機制，具有傳統(tǒng)器件所沒有的特性，并且器件尺寸很小，適合高度集成化，是未來集成光路元件的理想選擇。因此，從光子晶體第一次被提出以來的二十幾年里，引起了廣泛的關(guān)注。本文中為光子晶體新型光器件的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了研究：本文設計了一種新型的球形光子晶體微腔，提出球形光子晶體的概念，該微腔具有目前報道中最高的品質(zhì)因子；提出了具有慢光封凍模的光子晶體波導，并進行了數(shù)值演示；對空氣芯和混合芯二維光子晶體波導的色散關(guān)系進行了

2、分析，為低損耗慢光波導的研究打下了基礎；利用轉(zhuǎn)移矩陣法對多層對稱波導進行了理論上的分析，并利用Matlab對所得到的解析方程進行數(shù)值計算，得到了相對精確的色散曲線。本課題研究光學諧振腔以及慢光波導關(guān)鍵技術(shù)，在推動集成光子器件的發(fā)展方面具有重要意義。本論文的主要研究內(nèi)容如下：第一章為緒論，綜合介紹了本文中研究課題所涉及的理論基礎和文獻綜述。緒論首先介紹了光子晶體及其相關(guān)概念，對光子晶體的理論研究方法進行了詳細說明；介紹了光學微腔的應用以及

3、大致的研究方向；最后介紹與慢光相關(guān)的基礎知識及其應用領(lǐng)域，并對兩種典型的實現(xiàn)慢光的機制：材料色散和結(jié)構(gòu)色散進行了分析和比較。在論文第二章，我們設計了一種新型的光學諧振腔，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點將其命名為球形光子晶體微腔。為了得到極高品質(zhì)因子的光學微腔，我們對其從結(jié)構(gòu)上進行了優(yōu)化。首先將三維球形結(jié)構(gòu)簡化為一維結(jié)構(gòu)，對其禁帶寬度進行參數(shù)優(yōu)化，接著回到球形結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的參數(shù)為：介質(zhì)的層厚、中心缺陷即諧振腔的尺寸與介電常數(shù)、球體的周期等。利用FDTD方法

4、驗證得到該結(jié)構(gòu)具有109量級的品質(zhì)因數(shù)，說明光在此諧振腔將持久駐留而不衰減。在第三章中，我們設計了非對稱性光子晶體波導，首次在二維光子晶體中得到封凍模?；谄胀╓1型光子晶體波導，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過調(diào)整波導兩邊包層的左右相對位置和波導鄰近的空氣孔半徑，獲得含有拄拐點的色散曲線。其中所謂拄拐點是指即對于某個特定頻率，其一階導數(shù)與二階導數(shù)同時為零，而三階導數(shù)不等于零的點。在對應的頻率點上，我們得到了一階導數(shù)與二階導數(shù)同時為零的點，并通過FD

5、TD仿真驗證了此模式的存在。在此基礎上，我們對該結(jié)構(gòu)中三階非線性效應進行了初步的探討和研究，在介質(zhì)硅中引入非線性效應，考察該結(jié)構(gòu)中的參量放大現(xiàn)象，得到封凍模對應的信號光獲得的信號增益為最強。進一步驗證了慢光增強非線性效應的現(xiàn)象。在第五章中，我們設計了兩種低損耗的光子晶體波導。第一種為空氣芯波導，第二類為在W2空氣芯波導中插入Si層形成的混合芯波導。兩者的目的都是通過最小化光與物質(zhì)相互作用的范圍，以降低光傳播過程中介質(zhì)對光的吸收損耗。通過

6、調(diào)節(jié)空氣芯波導的參數(shù)，我們盡可能將光限制在空氣中(第一類波導)或者薄的Si層中(第二類波導)。另外，在W2空氣芯波導中，我們于不同的位置插入Si條，通過插入Si層數(shù)目以及位置的變化調(diào)控其色散關(guān)系的變化趨勢。論文第六章詳細介紹了轉(zhuǎn)移矩陣法，并利用轉(zhuǎn)移矩陣法對多層對稱波導進行了理論分析。利用Matlab對所得到的解析方程式進行數(shù)值計算，得到了相對精確的色散曲線圖像，與理論吻合得非常好。并且，我們所得到的精確方程表達式為未來的優(yōu)化工作打下了良