基于光子晶體和表面等離子激元的寬帶慢光研究.pdf

1、寬帶化、集成化是光通信器件和子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí)，光分組交換是光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然要求。其中，未來(lái)的光分組交換網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)設(shè)備，集成化的光分插復(fù)用器和光交叉連接器除了必須具有信號(hào)解復(fù)用/復(fù)用、交換、路由、放大等功能外，還需具有光信號(hào)緩存的功能。慢光是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)緩存的主要途徑。國(guó)際上對(duì)慢光實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，包括電磁誘導(dǎo)透明、受激布里淵散射、光子晶體波導(dǎo)、表面等離子激元波導(dǎo)等等。在這些技術(shù)中，基于電磁誘導(dǎo)透明和受激布里淵散射技術(shù)實(shí)

2、現(xiàn)的慢光在實(shí)驗(yàn)條件和帶寬利用上表現(xiàn)出明顯的缺陷，難以實(shí)現(xiàn)高密度的光子器件集成。為了滿(mǎn)足高集成度，寬帶寬的要求，本論文將基于可作為多功能光子器件單片集成的光子晶體和表面等離子激元波導(dǎo)，對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)慢光的帶寬、色散、損耗的調(diào)控等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。
　　主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.基于光子晶體的低色散慢光波導(dǎo)研究
　　論文利用光子晶體波導(dǎo)模式之間的反交叉效應(yīng)得到了超平坦的色散曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到

3、兩種寬帶、低色散的光子晶體慢光波導(dǎo)。
　　1）首次提出了空氣環(huán)光子晶體波導(dǎo)，該波導(dǎo)在2.9THz的頻率帶寬范圍內(nèi)能達(dá)到群速度為0.0178c的低色散慢光效應(yīng)。所提出的液晶調(diào)控的光子晶體波導(dǎo)具有二階和三階色散非常小的特點(diǎn)，數(shù)值結(jié)果表明，初始寬度為0.4ps的高斯脈沖可以在480μm長(zhǎng)的波導(dǎo)中以0.0239c的群速度保持波形不變的延遲傳輸。
　　2）在光子晶體慢光波導(dǎo)的研究中，如何提升耦合效率是當(dāng)前需要解決的首要問(wèn)題，本論文利用

4、耦合中間層達(dá)到了耦合效率的大幅度提升。數(shù)值結(jié)果表明，在1.08THz的頻率帶寬范圍內(nèi)，從條形輸入波導(dǎo)到群速度為0.0166c的光子晶體慢光波導(dǎo)的耦合效率可以達(dá)到80％。
　　2.慢光增強(qiáng)的雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)研究
　　慢光得到廣泛研究的原因之一是其可以增強(qiáng)光與物質(zhì)之間的相互作用。本論文利用耦合模式方程分析了波導(dǎo)腔耦合的光子晶體結(jié)構(gòu)在慢光增強(qiáng)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)中存在的局限性，提出了兩種解決方案。
　　1)第一種方案利用諧振腔的反對(duì)稱(chēng)模式和

5、波導(dǎo)進(jìn)行耦合達(dá)到了慢光增強(qiáng)的雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)。結(jié)果表明，隨著諧振腔諧振頻率向波導(dǎo)色散曲線(xiàn)邊緣不斷靠近時(shí)，光雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的閾值大幅降低。
　　2)在第二種方案中，首次提出了消除諧振腔的主要散射模式的方法，達(dá)到了慢光增強(qiáng)的雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)。
　　3.表面等離子激元構(gòu)建的耦合結(jié)構(gòu)慢光效應(yīng)研究
　　為了能在等離子激元的微納米結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)低損耗的慢光效應(yīng)，論文利用量子效應(yīng)提出了幾種基于表面等離子激元的耦合結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)均可以達(dá)到低損耗的慢光效應(yīng)