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新型二维光子晶体微环的研究及应用

作　者: 白继博
导　师: 邱怡申；强则煊
学　校: 福建师范大学
专　业: 光学
关键词: 光子晶体微环谐振器光通信时域有限差分平面波展开法自准直光逻辑
分类号: O734
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光环谐振器由于具有很高的光谱选择性、大自由程FSR等优点,其已引起了人们的广泛应用兴趣,如在光滤波器,光传感器,光调制器,光开关以及腔动力学的非线性器件等方面具有大量的应用。迄今为止,环谐振器已成功地在诸如光纤,低折射率对比度材料(定义为Δn<2,如聚合物),高折射率对比度材料(定义为Δn≥2,如SOI)中实现。一般说来,光纤环体积庞大难以实现光集成；而具有潜在设计优势的则是基于平板波导技术的微型波导环,俗称耳语回廊模式(WGM)微环。然这种WGM环受全内反射机理限制,其传播损耗会随着环尺寸的减小而剧增,这无疑阻滞了器件的进一步小型化,实际应用中,环的半径极限一般在3μm左右。此外,它们的性能还很敏感于表面粗糙度以及环与公共波导通道(Bus)之间的间隙,这又给实际制造带来了另一个挑战。另一方面,光子晶体由于其独特的可在波长尺度内控光能力给超小型光集成带来了希望。本论文以光子晶体为平台,基于自准直效应及带隙效应设计了一种新型的光子晶体微环结构,即45。微环,应用平面波展开法和时域有限差分法对新结构的特性进行了数值分析,然后结合光束干涉原理提出并设计了基于新型二维光子晶体微环的分插滤波器和逻辑门。主要研究工作和成果如下：1.利用二维光子晶体带隙效应和自准直原理,设计和计算了基于自准直效应的新型光子晶体微环光分插滤波器,即将二维光子晶体的Bus波导与自准直环集成在一起构成一种新型的光分插滤波器。整个器件设计过程无须考虑模式的变化,使得结构更加紧凑、设计更加简单。2.设计了一种沿着ГМ方向而非传统ГХ方向移除介质柱形成新型光子晶体微环,比较了新型微环结构与传统微环结构在传输强度、下路效率和品质因数等方面的异同,分析了新型微环物理参数改变时对其光谱特性产生的影响,新型微环的有效半径可以小于2.2μm,同时在1550nm工作波长时,其可以提供高于830的品质因子和90%的下路效率,无疑为克服传统波导微环的局限性提供了可能。3.利用光束干涉原理,设计了一种新型光子晶体微环逻辑门的结构,即一种沿着FM方向移除介质柱形成新型光子晶体微环的全光逻辑门的结构,系统地分析了本结构物理参数以及逻辑门控制端光源的初相位的改变对输出端归一化强度谱的影响,同时给出了逻辑“0”和逻辑“1”的定义,该结构仅需要一个光子晶体微环和单个操作波长且无需考虑引入非线性材料就能分别实现或非逻辑门和非逻辑门的功能。对于操作波长1550m,有望对下一代硅基材料的全光逻辑光路、超高速信号处理和高容量全光网络的发展起到作用。本文的创新点：本文将二维光子晶体的带隙理论和自准直效应的原理相结合,设计出了基于自准直效应及带隙混合效应的光子晶体微环结构；沿着ГМ方向而非传统rX方向移除介质柱形成新型光子晶体微环,设计了新型二维光子晶体带隙效应微环结构,其结构更小,光谱选择性更好,可用于超小型波分复用组件和高密度光子集成；将新型二维光子晶体带隙效应微环和Y型缺陷波导结合,设计出了一种基于新型二维光子晶体带隙效应微环的全光逻辑门的结构,本逻辑门与目前报道的逻辑门相较具有：单个操作波长、无需引入非线性材料、单个微环,从而制造简单,操作简便,结构简洁等优点。

全文目录

中文摘要  2-4
Abstract  4-6
中文文摘  6-10
绪论  10-18
第一章光子晶体的理论及数值分析方法  18-32
  第一节光子晶体的简介  18-20
  第二节光子晶体数值分析的方法  20-29
  第三节小结  29-32
第二章二维光子晶体自准直效应微环特性的研究  32-40
  第一节引言  32-33
  第二节基于45°二维光子晶体自准直效应微环结构的设计  33-34
  第三节结构分析和数值模拟  34-38
  第四节结论  38-40
第三章二维光子晶体带隙效应微环特性的研究  40-50
  第一节引言  40
  第二节基于45°二维光子晶体带隙效应微环结构的设计  40-42
  第三节结构分析和数值模拟  42-48
  第四节结论  48-50
第四章二维光子晶体微环逻辑门的设计及应用  50-62
  第一节引言  50
  第二节基于45°光晶微环全光逻辑结构的设计  50-56
  第三节全光或非逻辑门和非逻辑门功能的实现  56-60
  第四节结论  60-62
第五章结论  62-64
参考文献  64-70
攻读学位期间承担的科研任务与主要成果  70-72
致谢  72-74
个人简历  74-76

新型二维光子晶体微环的研究及应用

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