基于光子晶体和表面等离子激元的宽带慢光研究

论文摘要

宽带化、集成化是光通信器件和子系统发展的必然趋势。同时,光分组交换是光网络发展的必然要求。其中,未来的光分组交换网络的核心节点设备,集成化的光分插复用器和光交叉连接器除了必须具有信号解复用/复用、交换、路由、放大等功能外,还需具有光信号缓存的功能。慢光是实现光信号缓存的主要途径。国际上对慢光实现技术进行了深入研究,包括电磁诱导透明、受激布里渊散射、光子晶体波导、表面等离子激元波导等等。在这些技术中,基于电磁诱导透明和受激布里渊散射技术实现的慢光在实验条件和带宽利用上表现出明显的缺陷,难以实现高密度的光子器件集成。为了满足高集成度,宽带宽的要求,本论文将基于可作为多功能光子器件单片集成的光子晶体和表面等离子激元波导,对波导结构对慢光的带宽、色散、损耗的调控等关键问题进行了深入研究。主要研究内容如下:1.基于光子晶体的低色散慢光波导研究论文利用光子晶体波导模式之间的反交叉效应得到了超平坦的色散曲线。通过对波导的结构参数进行优化设计,得到两种宽带、低色散的光子晶体慢光波导。1)首次提出了空气环光子晶体波导,该波导在2.9THz的频率带宽范围内能达到群速度为0.0178c的低色散慢光效应。所提出的液晶调控的光子晶体波导具有二阶和三阶色散非常小的特点,数值结果表明,初始宽度为0.4ps的高斯脉冲可以在480μm长的波导中以0.0239c的群速度保持波形不变的延迟传输。2)在光子晶体慢光波导的研究中,如何提升耦合效率是当前需要解决的首要问题,本论文利用耦合中间层达到了耦合效率的大幅度提升。数值结果表明,在1.08THz的频率带宽范围内,从条形输入波导到群速度为0.0166c的光子晶体慢光波导的耦合效率可以达到80%。2.慢光增强的双稳态效应研究慢光得到广泛研究的原因之一是其可以增强光与物质之间的相互作用。本论文利用耦合模式方程分析了波导腔耦合的光子晶体结构在慢光增强双稳态效应中存在的局限性,提出了两种解决方案。1)第一种方案利用谐振腔的反对称模式和波导进行耦合达到了慢光增强的双稳态效应。结果表明,随着谐振腔谐振频率向波导色散曲线边缘不断靠近时,光双稳态效应的阈值大幅降低。2)在第二种方案中,首次提出了消除谐振腔的主要散射模式的方法,达到了慢光增强的双稳态效应。3.表面等离子激元构建的耦合结构慢光效应研究为了能在等离子激元的微纳米结构中实现低损耗的慢光效应,论文利用量子效应提出了几种基于表面等离子激元的耦合结构,这些结构均可以达到低损耗的慢光效应。1)金属和介质组成的复合光栅可以实现高效率的法诺效应。数值结果表明,复合光栅能够达到群速度为0.005c的慢光效应,对应的透过效率可以达到80%;2)金属谐振腔和硅光栅组成的耦合结构能够实现类电磁诱导透明效应。首次发现该结构具有二次类电磁诱导效应,并可进一步提升耦合结构的慢光效应。数值结果表明,该结构可以达到群速度为0.002c的慢光效应,对应的透过率可以达到80%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体波导
• 1.2 表面等离子体波导
• 1.3 光延迟技术的研究进展
• 1.3.1 基于原子气的电磁诱导透明技术
• 1.3.2 相干布居震荡
• 1.3.3 受激布里渊散射
• 1.3.4 光子带隙波导
• 1.3.5 基于表面等离子体波导
• 1.3.6 基于超颖材料的彩虹停光
• 1.3.7 基于超颖材料的类电磁诱导透明技术
• 1.4 数值仿真技术
• 1.4.1 平面波展开法
• 1.4.2 有限差分时域法
• 1.4.3 耦合模式理论
• 1.5 论文的主要内容及其创新点
• 1.5.1 论文的组织结构
• 1.5.2 论文的研究内容
• 1.5.3 论文的特色及创新之处
• 1.6 本章小结
• 参考文献
• 第二章 宽带光子晶体慢光波导理论和实验研究
• 2.1 波导设计原理
• 2.2 宽带光子晶体慢光波导低群速度色散研究
• 2.2.1 空气环光子晶体波导
• 2.2.2 介质芯光子晶体波导
• 2.2.3 其它光子晶体波导
• 2.3 宽带光子晶体慢光波导高阶色散研究
• 2.3.1 波导设计原理
• 2.3.2 数值仿真结果及分析
• 2.3.3 脉冲传输分析
• 2.4 宽带光子晶体慢光波导耦合效率研究
• 2.4.1 低色散单模式光子晶体慢光波导设计
• 2.4.2 高效率耦合层设计
• 2.5 光子晶体慢光波导实验研究
• 2.5.1 波导设计和制备
• 2.5.2 波导性能测试及结果分析
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 光子晶体波导腔耦合系统的双稳态研究
• 3.1 实现非对称线型的波导和谐振腔耦合模型构建
• 3.2 非对称线型的光子晶体波导和谐振腔耦合系统的双稳态研究
• 3.3 慢光增强的光子晶体波导和谐振腔耦合系统的双稳态研究
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 表面等离子激元异常光吸收效应研究
• 4.1 金属波导亚波长光传输
• 4.2 金属光栅奇异光吸收效应
• 4.2.1 金属薄膜色散曲线分析
• 4.2.2 金属光栅能量吸收的数值仿真和讨论
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 表面等离子全光类相干干涉效应的慢光研究
• 5.1 表面等离子复合结构设计
• 5.2 低损耗的类法诺效应复合结构设计
• 5.3 低损耗的类电磁诱导透明效应复合结构设计
• 5.3.1 亮态设计
• 5.3.2 暗态设计
• 5.3.3 类电磁诱导透明效应的实现
• 5.3.4 对称破缺的二次类电磁诱导透明效应的超慢光研究
• 5.3.5 等效理论模型建立
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结和展望
• 6.1 论文完成的主要研究工作
• 6.2 进一步的研究目标
• 攻读博士学位期间已发表的论文
• 致谢
• 符号与标记
• 附件