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基于光子晶体的全光开关设计及光器件集成的研究

作　者: 王博
导　师: 田慧平
学　校: 北京邮电大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 光子晶体 全光开关 非线性 慢光
分类号: TN929.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


未来全光网络的实现主要依赖高速光源、全光开关、全光波长变换器、全光缓存等全光器件的发展。光分组交换网是未来网络发展的最好选择,因此光分组交换网的核心器件全光开关和全光缓存受到广泛的关注。而实现全光网络也面临另外一个问题,就是如何将两个光器件集成在一个模块上。光子晶体能够比较容易的控制光的传输,可以利用光子晶体设计出高性能的器件,并且制作光子晶体的技术目前已经做的比较好,其制作过程与硅基的集成电路也比较相似。本文以光子晶体非线性效应为基础,分析并设计了输出状态可稳定控制的一维和二维光子晶体全光开关,并且利用时域有限差分(FDTD)法仿真分析了全光开关和慢光波导结构的集成及集成器件的复合功能。主要包括一下几部分内容：首先,介绍了全光网络发展对全光开关及光子晶体集成器件的需求、全光开关的研究现状、光子晶体集成器件的研究现状,并且分析了光子晶体实现全光开关和光子器件集成所具有的优势。其次,概述了光子晶体概念的产生及发展状况,介绍了光子晶体的物理特性。分析了光子晶体在通信领域的应用,介绍了光子晶体的制作方法和理论研究方法。并主要介绍了二维光子晶体的特性与慢光原理。再次,利用非线性克尔效应,设计了一种多缺陷结构的一维光子晶体全光开关,具有宽带缺陷模和窄带缺陷模,使得光开关输出状态能够被泵浦光稳定控制。然后又用同样方法设计了一个周期性介质波导结构的全光开关,并对比分析了考虑厚度和不考虑厚度时的光开关特性。所设计的全光开关都具有低能耗,高消光比和超快速的特性。最后,设计了一个具有低色散平坦慢光区域的光子晶体线缺陷波导结构,通过合理调整两个结构的晶格常数,使得光信号能够在两个器件里低损耗传播,通过设计合理的连接结构,使得光从光开关进入线缺陷波导时损耗很小,并且通过分析光脉冲在集成器件里的传播情况来演示集成器件的复合功能。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 引言  10-13
    1.1.1 全光网络发展的需求  10
    1.1.2 全光开关的研究  10-12
    1.1.3 光子晶体光集成的需求及研究  12-13
    1.1.4 光子晶体全光开关及集成器件的优势  13
  1.2 国内外发展动态  13-15
  1.3 文章的主要内容及结构  15-17
第二章 光子晶体概述  17-27
  2.1 光子晶体概念的产生及发展  17-18
  2.2 光子晶体简介  18-20
    2.2.1 光子晶体的概念  18-19
    2.2.2 光子晶体的物理特性  19-20
  2.3 光子晶体的应用  20-24
    2.3.1 光子晶体应用在微波天线上  20
    2.3.2 光子晶体滤波器  20-21
    2.3.3 光子晶体波导  21
    2.3.4 光子晶体光纤  21-22
    2.3.5 光子晶体全光开关  22-23
    2.3.6 高效率低损耗的反射镜和超棱镜  23-24
    2.3.7 光子晶体偏振器  24
  2.4 光子晶体的制作方法  24-26
    2.4.1 机械钻孔法  24-25
    2.4.2 蚀刻法  25
    2.4.3 逐层叠加法  25
    2.4.4 自组装生长技术  25
    2.4.5 蛋白石和反蛋白石方法  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章 光子晶体的研究方法  27-34
  3.1 光子晶体的理论研究方法  27-31
    3.1.1 传输矩阵法  27-29
    3.1.2 平面波展开法  29
    3.1.3 时域有限差分法  29-31
  3.2 二维光子晶体的特性  31-32
  3.3 慢光的概念和相关技术  32-33
  3.4 本章小结  33-34
第四章 光子晶体全光开关的设计  34-44
  4.1 光子晶体全光开关的实现原理  34-35
  4.2 一维光子晶体全光开关的实现  35-39
  4.3 二维光子晶体全光开关的设计  39-43
    4.3.1 不考虑厚度的周期性介质波导光开关  39-41
    4.3.2. 考虑厚度结构的周期性介质波导光开关  41-43
  4.4 本章小结  43-44
第五章 光子晶体全光开关与慢光波导的集成  44-49
  5.1 慢光波导的设计  44-45
  5.2 如何将光开关和慢光波导集成  45-46
  5.3 光开关与慢光波导的耦合  46-48
  5.4 本章小结  48-49
第六章 全文总结  49-50
参考文献  50-53
致谢  53-54
攻读学位期间发表的学术论文及专利  54

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 光波通信、激光通信
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