周期性介質中寬帶無色散慢光關鍵技術研究.pdf

1、本論文主要對周期性介質結構中寬帶無色散慢光的關鍵技術進行研究。設計了三種不同類型的慢光波導，實現了室溫下低群速度低色散的寬帶慢光傳播。本研究工作對于推動以慢光為基礎的集成光子器件的發(fā)展具有重要意義。 本論文的主要研究內容如下： 第一章為緒論，主要對本論文所涉及的理論基礎和研究背景進行了綜述。首先介紹了慢光技術的應用領域，及一些與慢光相關的基礎知識。其次，對幾種比較典型的實現慢光的機理，如：電磁感應透明技術（EIT）、相干

2、布居振蕩（CPO）、諧振耦合技術（CRS）進行了分析與比較。最后，介紹了慢光波導的研究進展，為我們后文的研究及設計提供理論依據。 論文的第二章設計了一種基于六角形晶格的二維光子晶體線缺陷波導，在結構上作了一定的創(chuàng)新。在線缺陷中，引入了一排橢圓型的空氣孔，同時，通過改變與線缺陷相鄰的外圍圓型空氣孔半徑來調整波導的傳輸性能。通過適當的調諧與線缺陷相鄰的空氣孔的結構參數，得到了波導的最優(yōu)結構。此時，波導的群速度最小，約為0.0018c

3、，同時群速度色散（GVD）也達到最小，低于10 5(a/2 π c 2)數量級，大大降低了傳輸過程中信號產生的失真。接著，從色散曲線、品質因數Q、有限差分（FDTD）仿真三方面對此波導的特性進行研究。色散曲線的拐點從理論上證明了此波導的群速度和GVD 同時達到零，10 5數量級的高品質因數說明光脈沖在此波導中駐留的時間很長，時域的場強分布圖再一次證明無論從縱向還是橫向來看，光信號都被很好的限制在波導中央，無色散地以極慢的光速傳播。

4、 論文的第三章考慮了帶寬的影響，設計了另一類結構更為簡化的慢光波導，可以獲得更大的延遲帶寬積（DBP）。此類波導放棄了傳統的二維光子晶體線缺陷波導結構，以更為簡潔的空氣孔陣列直波導為基礎，設計了兩種新穎的空氣孔結構。一種采用橢圓型空氣孔，另一種采用兩個半橢圓交疊而成的沙漏型空氣孔。本章分別從能帶結構和FDTD 仿真兩方面分析了這兩種新型的空氣孔陣列直波導。對于橢圓型波導，得到其平均群指數g n％為418，DBP達到0.166 。而對于

5、沙漏型波導，其平均群指數g n％為87.7，DBP達到0.186 。經過與前人的研究成果進行比較，結果證實此波導的設計不僅結構較為簡單，而且在DBP上也有不小的提高，進一步論證了這兩種新型波導的優(yōu)越性。 論文的第四章突破了群速度與帶寬之間的固有限制，設計了一種新型的基于光子晶體線缺陷波導的級聯型諧振腔波導結構，數值仿真實現了超大帶寬的慢光傳輸。 本章首先考察了一種結構較為簡單的單一諧振腔波導。通過對其能帶的計算與分析，得

6、到了一條極其平坦的色散曲線，滿足群速度和GVD 都同時接近于零。接著，將四種具有不同共振頻率的諧振腔組合在一起，設計了一種級聯型的波導結構。此波導可以得到四條十分接近且平坦的能帶，其最大和最小能帶之間的差近似等效為一無色散超慢光模的帶寬。平均群指數 ng為833，相對頻率帶寬d ω /ω等于2.22 × 10 -2，相當于4.3THz 。FDTD的仿真結果也很好地證實了這一波導的慢光特性。此類波導還可以進行拓展，通過增加級聯的諧振腔數量

7、，同時減小相鄰諧振腔之間的頻率間隔來實現一近似連續(xù)的具有超大帶寬的慢光模式。這對于傳統的群速度與帶寬的限制來說，是一個極大的突破。 論文的第五章考慮到波導實際的制備工藝，在上一章級聯波導的設計思路下，采用基于空氣孔排布的六角形晶格結構。本章首先研究一種比較普遍的基于實芯線缺陷波導的諧振腔波導結構，波導中心的線缺陷采用與背景相同的介質材料。結果發(fā)現當諧振腔內空氣孔半徑發(fā)生改變時，所產生的能帶平移量非常小，這對于寬帶的應用來說是遠遠

8、不夠的。為了解決這一問題，本章接著引入了空氣芯線缺陷，通過降低波導中心的介電常數，使光脈沖更容易耦合到兩邊的諧振腔內，從而可以得到較大的頻率偏移。本章接著提出一種對稱型的雙諧振腔波導，通過對其色散曲線和場強分布的研究，發(fā)現這種結構確實可以產生兩條平坦且相近的能帶。于是，最后本章提出了改進的基于空氣芯線缺陷的級聯型諧振腔波導，在相鄰的四個諧振腔內依次引入四種不同的空氣孔半徑，從色散曲線上來看，可以得到四條異常平坦的能帶，相對頻率帶寬d ω

9、 /ω也可以達到2.02 × 10 -2 。相對應的靜態(tài)場分布也很好地證實了這一設計思路，與諧振腔頻率相同的信號分量均耦合入相應的諧振腔內。 論文的第六章對第五章提出的基于空氣芯線缺陷的級聯諧振腔波導結構進行了進一步改進，將波導中心的空氣芯線缺陷用SiO2 線缺陷來代替，數值實現同樣的超寬帶慢光傳輸的同時，避免了制備時在第三維度上的耗散。與上兩章的分析過程類似，本章首先研究了單一的諧振腔波導。通過對其能帶的計算與分析，得到了一條

10、異常平坦的色散曲線。同時，通過考察諧振腔內空氣孔的不同半徑對色散曲線的影響，發(fā)現能帶的平移量滿足設計中對超寬帶的要求。接著，本章提出改進的基于SiO2線缺陷的級聯型諧振腔波導，在相鄰的四個諧振腔內依次引入四種不同的空氣孔半徑，并從色散曲線、場強分布和FDTD 仿真三方面分析了這種新型波導的性能。其色散曲線和對應的靜態(tài)場分布很好地證實了這一設計思路，與諧振腔頻率相同的信號分量均耦合入相應的諧振腔內。通過計算，得到此波導的平均群指數g n％

11、為909，平均GVD 參數D 約為4.1(ps/(nm ·mm))，相對頻率帶寬d ω /ω等于2.02 × 10 -2，相當于有效帶寬為3.9THz 。FDTD 仿真結果都很好地證實了這一理論分析。 論文的第七章提出了對波導設計進行優(yōu)化設計的方法。通過引入遺傳算法，同時嵌入能帶計算的平面波展開法，設計了一種對波導結構參數進行優(yōu)化，以達到最小群速度的優(yōu)化算法。此優(yōu)化算法的基本原理是：首先，設定待優(yōu)化的波導結構參數為特定基因組，通