光子晶體光開(kāi)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光子晶體器件利用帶隙約束導(dǎo)光機(jī)制，具有傳統(tǒng)器件所沒(méi)有的特性，并且器件尺寸很小，是未來(lái)集成光路元件的理想選擇。因此，它們?cè)谶^(guò)去的二十年中得到了廣泛的研究。本文對(duì)基于光子晶體的新型光器件——光子晶體耦合光開(kāi)關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要包括：設(shè)計(jì)了三種不同的光子晶體耦合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，利用平面波展開(kāi)法（PWE）以及有限差分時(shí)域法（FDTD）進(jìn)行了仿真，并對(duì)這些耦合開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了分析，從而為光子晶體光開(kāi)關(guān)矩陣的深入研究打下了基礎(chǔ)。

2、 在緒論中，主要對(duì)本課題所涉及的理論基礎(chǔ)和研究背景進(jìn)行了綜述。首先介紹了光子晶體的理論基礎(chǔ)，以及為了對(duì)光子晶體器件進(jìn)行研究和計(jì)算所需的數(shù)值模型，包括PWE和FDTD；然后對(duì)光子晶體波導(dǎo)的耦合特性進(jìn)行了分析，為后面幾章中設(shè)計(jì)光子晶體耦合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)；最后對(duì)慢光的概念和研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。 在上述的基礎(chǔ)上，論文的第二章提出了一種新型的低串?dāng)_短耦合長(zhǎng)度耦合器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以克服目前已報(bào)道的光子晶體耦合結(jié)構(gòu)具有高串?dāng)_和長(zhǎng)耦合

3、長(zhǎng)度的缺點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)采用的是一種級(jí)連結(jié)構(gòu)，即一段具有低串?dāng)_長(zhǎng)耦合長(zhǎng)度的前端波導(dǎo)、一段具有高串?dāng)_短耦合長(zhǎng)度的耦合波導(dǎo)以及一段具有低串?dāng)_長(zhǎng)耦合長(zhǎng)度的后端波導(dǎo)。這一結(jié)構(gòu)在具有很短的總耦合長(zhǎng)度的同時(shí)還可以獲得很低的串?dāng)_。利用PWE以及FDTD對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。通過(guò)仿真，獲得了較低的串?dāng)_，以及較短的總耦合長(zhǎng)度。在2乘2方向耦合器的基礎(chǔ)上，還設(shè)計(jì)了一種4乘4的光子晶體耦合開(kāi)關(guān)矩陣，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)在多條傳輸路徑之間的轉(zhuǎn)換，通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)器件良好

4、的傳輸性能。 論文的第三章對(duì)信號(hào)在光子晶體耦合結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)控制進(jìn)行了研究。現(xiàn)有的電控方法是在光子晶體材料中灌入液晶，然后通過(guò)改變所加電場(chǎng)的方向來(lái)改變耦合狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)控制。然而，這種電控的方法不能很好地滿足光通信系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)高速傳輸?shù)囊?，而且它需要有很多外加的輔助器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種更為有潛力的方法是利用光控來(lái)改變信號(hào)光的傳輸方向。根據(jù)最近的研究成果，群速度很慢的光，即慢光，是一種可以應(yīng)用在光子晶體方向性耦合開(kāi)關(guān)中的理

5、想的控制光。這種光可以增大由折射率的微變所造成的相移，從而改變光子晶體材料的折射特性。在一些相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，本章提出了一種2乘2方向耦合開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)可以利用慢群速度控制光來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸信號(hào)傳輸狀態(tài)的動(dòng)態(tài)控制。通過(guò)FDTD數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以通過(guò)光控光的簡(jiǎn)單方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)控制。 論文的最后部分對(duì)動(dòng)態(tài)光子晶體耦合開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步探討。由于利用諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合的光子晶體耦合器件是一種能很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)的

6、結(jié)構(gòu)，因此本章給出了一種諧振腔耦合開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，并且通過(guò)加入控制光來(lái)改變這種器件的關(guān)鍵部分——諧振腔的參數(shù)，從而簡(jiǎn)便地改變器件的光特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的動(dòng)態(tài)控制。利用FDTD仿真表明，可以成功地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)，說(shuō)明了這種結(jié)構(gòu)作為動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)矩陣的可能性。 本論文的研究主要針對(duì)基于光子晶體這種新型材料的各種新型耦合開(kāi)關(guān)器件展開(kāi)，即對(duì)平面光子晶體光開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。所提出的幾種結(jié)構(gòu)均有不同的創(chuàng)新點(diǎn)，為后續(xù)的研究打下了基礎(chǔ)。這些研究結(jié)果