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(shì)。其中，光緩存和全光信號(hào)處理是實(shí)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(shí)現(xiàn)光緩存和時(shí)域光學(xué)信號(hào)處理非常有前景的解決方案。同時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)慢光的方法相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。
　　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(jì)，并分析了各類波導(dǎo)的慢光特性。最后對(duì)光子晶體波導(dǎo)中的傳播損耗特性進(jìn)行了較為深入的分析。全文的研究?jī)?nèi)容如下：
　　(1)提出了兩類晶格移動(dòng)型的寬帶慢光光子晶體波導(dǎo)。我們采用平面波展開法對(duì)兩類光子晶體波導(dǎo)進(jìn)行了能帶計(jì)

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?yàn)閮蓚€(gè)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(dòng)范圍限制在10％范圍內(nèi)，實(shí)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(zhǎng)處對(duì)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?yàn)槿齻€(gè)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(shí)現(xiàn)了平均群折射率為24，33，46，57和66，在1550 nm中心波長(zhǎng)處對(duì)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(shí)域有限差分方法對(duì)幾種優(yōu)化的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。時(shí)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(shí)域上極

5、小的脈沖展寬也證實(shí)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?yàn)橐恢芷诘慕Y(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(shí)現(xiàn)了平均群折射率分別為46,63,78和100時(shí)，在1550 nm中心波長(zhǎng)處對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)了平均群折射率為54,69和80，在1550 nm中心波長(zhǎng)處對(duì)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(shí)域有限差分方法計(jì)算了相對(duì)時(shí)域脈沖展寬來驗(yàn)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(jī)制，即后向散射損耗和平面外損耗，并計(jì)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(duì)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(wú)論對(duì)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(gè)波導(dǎo)中，對(duì)于處于相同的群折射率的不同波長(zhǎng)的光的傳播損耗也不相同，即傳播損耗和ng并不是一一對(duì)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(duì)比了W1波導(dǎo)和色散管理波導(dǎo)的模場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，并分別計(jì)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(shí)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(wú)論ng關(guān)于波長(zhǎng)是不是單調(diào)變化的，傳播損耗和波矢量k都是一一對(duì)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(shí)現(xiàn)低損耗寬帶慢光的設(shè)計(jì)規(guī)則是減少第一排空氣孔處的光場(chǎng)分布大