硅基一维波导光栅的宽带低色散慢光研究

论文摘要

随着传统微电子技术的发展，半导体材料线度的不断减小会引起例如热耗散、串扰等一系列问题，因此用光子替代电子用于信息的传输已成为目前认为最有效的解决办法，也是当前的主流发展趋势，硅基光子学正是研究光子作为信息载体的学科，其利用传统的CMOS （Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor）工艺将微纳器件集成，极大的提高了信息传输的速率。而硅基光子晶体慢光器件作为硅基集成中的关键器件，可用于光延迟、光缓存和光交换和增强光学非线性，并具有宽带的优势，可适合未来高速率光通信发展。但是传统的二维光子晶体慢光波导具有结构复杂，工艺难度大的缺点，主要是实际工艺制作中孔壁的粗糙和错位导致极大的散射损耗。为此，我们可以利用最简单的一维光子晶体，即一维波导光栅来实现宽带低色散的慢光，与传统的二维光子晶体相比，一维波导光栅具有结构简单、设计灵活、器件尺寸更小等优势，并避免了多排孔引入导致大的侧壁散射损耗问题。本论文在华中科技大学研究生创新基金项目“硅基孔状光栅的宽带低色散慢光研究”和国家自然科学基金青年科学基金项目“光子晶体波导的慢波特性及其在集成化宽带色散补偿中的应用”的资助下主要做了如下工作：（1）介绍了硅基光子学近年来的发展状况和发展趋势，特别是硅基慢光器件，包括硅基微环和硅基光子晶体的研究进展和应用，并对光子晶体的基本理论、慢光产生的原理和计算方法进行了逐一介绍。（2）设计了一种简单的一维光栅低色散慢光波导。通过在一维波导光栅中引入两个纳米狭缝（Slot），将原来集中在波导中央区域的光场耦合到两侧光栅齿内，增强光栅的布拉格的反射强度，进而减慢光速。最终实现了带宽为13.2nm，群折射率达到13，最大色散值仅为3.38ps2/mm的慢光。利用时域有限差分法（FDTD）验证了光脉冲传输的极小色散。（3）利用最简单的一维无孔波导光栅结构，实现了平带慢光，即具有宽带特性的慢光，其带宽达到了10.3nm，群折射率达到18.3。另外，设计了一种阶跃型喇叭口（Step Taper）过渡结构，极大的提高了快光波导与慢光波导的耦合效率，将原来直波导直接耦合时低于20%的耦合效率提高到了70%，实现了宽带慢光的高效耦合。通过时域有限差分法（FDTD）数值模拟，验证了带宽10.3nm的光脉冲在长度为48.7μm的波导光栅中延迟2.85ps的慢光。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 硅基光子晶体慢光器件的应用
• 1.3 本论文的主要工作
• 2 光子晶体的基本理论及其慢光的介绍
• 2.1 光子晶体的分类及其慢光
• 2.2 光子晶体中电磁场的传播
• 2.3 光子晶体的数值计算方法
• 2.4 本章小结
• 3 具有双狭缝Slot结构的一维光栅低色散慢光
• 3.1 双狭缝Slot波导光栅的结构设计
• 3.2 双狭缝Slot波导光栅中各参数对能带的影响
• 3.3 双狭缝Slot波导光栅慢光性能
• 3.4 时域有限差分法FDTD验证慢光延迟及其低色散特性
• 3.5 本章小结
• 4 具有高耦合效率的一维光栅慢光
• 4.1 一维波导光栅的结构设计
• 4.2 一维波导光栅中齿长对能带的影响及其解释
• 4.3 时域有限差分法FDTD验证慢光延迟
• 4.4 阶跃型喇叭口Step Taper引入对光耦合效率的改善
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读学位期间发表论文目录