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光子晶体中光脉冲的动态调控和色散关系研究

方博  
【摘要】: 光子晶体器件利用带隙约束导光机制,具有传统器件所没有的特性,并且器件尺寸很小,是未来集成光路元件的理想选择。本论文对基于光子晶体微腔的品质因子动态调控机制进行了探索;提出了单侧光栅波导可用于降低光脉冲速度,并演示了此波导中非线性放大和三次谐波的产生;对空气孔三角晶格光子晶体的色散曲线和等频率线进行了分析,发现第一条和第六条光子带上的频率可以实现自准直。建议了两级异构光子晶体波导,该波导具有补偿慢光色散的功能。 本论文的主要研究内容如下: 第一章为绪论,本章主要对本课题所涉及的理论基础和研究背景进行了综述。首先介绍了光子晶体的理论基础,以及为了对光子晶体器件进行研究和计算所需要的数值方法,包括平面波展法(PWE)和时域有限差分法(FDTD);然后对光子晶体波导的耦合特性进行了分析,为后面动态调控微腔品质因子器件的设计提供了理论依据;最后,介绍了慢光技术和当今研究中普遍存在的问题,为后文利用光子晶体实现慢光提供理论依据。 论文的第二章提出了一种新型的动态调谐微腔品质因子的器件,首先建立了微腔与波导的模型,并对微腔品质因子的影响要素进行了理论分析。其次,在光子晶体上合理地设计了反射镜,微腔和波导的相对位置,通过克尔效应来动态改变波导的折射率,从而达到改变光脉冲在微腔中停留的时间,最终实现对光脉冲控制的目的。这种结构比以往报道的结构能有更大的Q值调控范围。利用FDTD法对其进行了仿真,实现了Q值的动态调控,且Q值的调控范围与理论值吻合,验证了理论推导的正确性。 论文的第三章对一维单侧光栅波导进行了慢光传输研究。本章对单侧光栅波导的不同结构参数进行了优化,以获得具有高延迟带宽积(DBP)、低色散、低群速度的慢光。本章通过调整光栅的宽度和长度,得到了一条能带边缘非常平坦且含有拐点的色散曲线。在这条曲线上,可获得低群速度0.023c和几乎为零群速度色散的慢光。通过FDTD法仿真,观察了此波导中的低色散慢光的传输特征。 论文的第四章在上一章的基础上,对单侧光栅波导的非线性效应进行了研究,主要研究慢光增强非线性效应和参量放大,首先推导了慢光增强三次谐波的理论公式与参量放大理论公式,得出在慢光条件下,可以对三次谐波大大增强。时域有限差分法仿真验证了我们的理论推导。接着对参量放大也进行了FDTD仿真验证。 论文的第五章对光子晶体中的自准直现象进行了研究。本章中研究了空气孔三角晶格光子晶体中的色散曲线和等频率线,从而得到第一条,第二条,第六条色散曲线可以实现自准直。利用FDTD仿真表明,可以成功地实现自准直现象,在上面结构的基础上,本章中设计了一种自准直反光器与分光器,仿真结果表明,这两种器件都具有良好的特性。 论文的第六章研究了光子晶体波导的色散补偿,将光纤中的色散补偿理论引入到光子晶体波导中,设计了色散补偿型光子晶体级联波导,选取了色散曲线慢光处,且对应于同一个频率两个光子晶体波导的色散分别为正常色散和反常色散,时域有限差分法仿真验证了该特性,不仅达到了0.013c的群速度,并且实现了慢光色散补偿。 本论文的研究主要针对基于光子晶体这种新型材料的在动态调控光器件和色散关系的研究上展开,并对光子晶体微腔的Q值调控结构进行了设计与分析,另外对基于光子晶体的多种结构的色散关系进行了研究,包括一维光子晶体慢光波导的设计与分析,单侧光栅波导的三次谐波与参量放大、二维三角晶格光子晶体的自准直、二维光子晶体的色散补偿研究,这些为后续的研究打下了基础,研究成果对光存储,高密度集成光子器件的研究和发展具有重要意义。


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