微纳结构光学微腔中的光学双稳与耦合慢光传输

论文摘要

光子晶体是一种折射率在空间周期性变化的介电结构,具有光子禁带和光子局域等特性,由光子晶体制成的器件可以方便地控制光子行为,使其在应用方面显示巨大潜力。表面等离子体激元（SPPs）是一种由外界光场与金属表面电子相互作用而产生的在金属和电介质界面上传播的电磁波模式,具有突破衍射极限和局部场增强效应特性。以光子晶体和SPPs作为信息载体是实现集成光子器件小型化,提高系统集成度的有效途径之一。本文根据集成光学的原理,设计了基于光子晶体、SPPs的集成光子器件,并采用时域有限差分（FDTD）、传输矩阵（TMM）等数值模拟技术分析了这些器件的光学性能。结果表明,利用这些光子器件,可以在微纳米尺度范围操纵光子行为,为构建新型功能光学系统和光学集成提供新的方案。本文的工作分为以下几个方面：1.基于SPPs纳米微腔的光学双稳态及其器件应用SPPs能将电磁场能量聚集在很小的空间范围,具有巨大的局部场增强效益。在狭缝金属波导内放入非线性介质,利用非线性Kerr效应和由金属-非线性介质-金属所构成的纳米SPPs Fabry-Perot微腔形成的正反馈机制,可以实现纳米结构的光学双稳器件。且由于SPPs所具有的局部场增强效应,该双稳器件可以满足较小的输入光强获得较大的腔内光强及非线性响应,而实现低输入光强的双稳态效应。在填充以长度为300nm厚度为30nmGaAs非线性介质的Ag-GaAs-Ag腔内,利用FDTD方法计算了不同入射光强下的透射曲线及不同波长情况时的输入输出关系曲线,验证了该纳米器件可以实现光学双稳。而且由于SPPs的局部增强效应,导致这种双稳态可以在低入射光强条件下发生。因此,可望用于高密度光学集成网络中的光开关、光学三极管等等光子器件。2.基于SPPs耦合共振波导（CROW）的可调谐慢光及光时分复用（OTDM）增益介质填充于二维金属微型环内并排列构成SPPs CROW用以实现连续可调谐慢光。对于群速度而言,其大小和折射率的相对变化率密切相关,故结构中的群速度与CROW本身结构所对应的色散特性及增益介质共振频率附近色散变化特性都有依赖关系。通过调节增益强度改变增益介质色散则可以放大或缩小由CROW几何结构所决定的群速度,并由此得到可连续调谐慢光。介电常数具有Lorentz模型的增益介质被填充于由4个金属Ag环组成的长度为2.32um二维有限CROW,通过调节增益强度的办法,实现了可调谐时间延迟。利用传输矩阵方法推导了其透射率、色散曲线及群折射率,利用FDTD数值模拟了脉冲在该结构中的可调谐时间延迟特性。最后把该结构应用到OTDM系统,实现了较宽比特率范围内的输入信号复用。3.局部准周期光子晶体CROW与多通道慢光局部准周期光子晶体可以代替准周期光子晶体并实现准周期光子晶体独特性能。利用局部准周期光子晶体缺陷构造CROW结构使光子同时受到局域与导引的双重作用,既可实现慢光效应又可得到高的透射率。多个CROW结构排列在一起则可以实现局部准周期光子晶体的多通道慢光。该结构既能保证各通道良好的传输特性,又能得到较大的群折射率。研究了由方形格点组成的包含十二重准周期结构的二维正三角周期光子晶体的特性,利用平面波展开法计算了其能带机构。使用FDTD计算了该局部准周期光子晶体缺陷构造的CROW结构及多个CROW排列所形成的多通道结构的透射特征,验证了其多通道和慢光特性。其多通道的特性可直接构成波分复用器件应用于高密度光学集成系统。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 引言
• 第一章 集成光学概述
• 1.1 集成光学的发展历程
• 1.1.1 集成光学的提出
• 1.1.2 集成光学及集成光子器件
• 1.1.3 集成光学研究趋势
• 1.2 光子晶体及其集成光子器件
• 1.2.1 光子晶体的概念和特征
• 1.2.2 光子晶体的制备
• 1.2.3 光子晶体器件
• 1.3 表面等离子体激元（SPPs）及其集成光子器件
• 1.3.1 SPPs的基本性质
• 1.3.2 SPPs的光学激发与探测
• 1.3.3 SPPs器件
• 1.4 小结
• 第二章 数值计算方法
• 2.1 时域有限差分方法（FDTD）
• 2.1.1 麦克斯韦方程及FDTD形式
• 2.1.2 不同色散模型的处理
• 2.1.3 非线性Kerr介质的处理
• 2.1.4 吸收边界的设置
• 2.1.5 FDTD计算透射谱线
• 2.2 传输矩阵方法
• 2.2.1 传输矩阵理论
• 2.2.2 传输矩阵计算反射及透射
• 2.2.3 传输矩阵计算色散关系
• 2.3 平面波展开方法
• 2.3.1 平面波展开理论
• 2.3.2 介电常数的傅立叶展开
• 2.3.3 超原胞平面波展开
• 2.4 小结
• 第三章 基于SPPs纳米微腔的光学双稳态及其器件应用
• 3.1 光学双稳概述
• 3.1.1 光学双稳的发展历程
• 3.1.2 光学双稳态类型及原理
• 3.2 基于SPPs的光学双稳器件
• 3.2.1 SPPs光学双稳器件模型
• 3.2.2 SPPs光学双稳器件特性
• 3.3 光学双稳器件的应用
• 3.4 小结
• 第四章 基于SPPs耦合共振波导（CROW）的可调谐慢光及光时分复用（OTDM）
• 4.1 慢光的物理基础
• 4.1.1 光速减慢的理论基础
• 4.1.2 慢光的实现方式
• 4.2 SPPs CROW可调谐慢光
• 4.2.1 SPPs CROW模型
• 4.2.2 SPPs CROW特性
• 4.3 OTDM
• 4.4 小结
• 第五章 局部准周期光子晶体CROW与多通道慢光
• 5.1 局部准周期光子晶体
• 5.1.1 局部准周期光子晶体结构
• 5.1.2 局部准周期完全光子晶体特性
• 5.2 局部准周期光子晶体CROW
• 5.2.1 局部准周期光子晶体点缺陷模式
• 5.2.2 局部准周期光子晶体CROW特性
• 5.3 基于局部准周期光子晶体的多通道慢光
• 5.3.1 弱耦合多通道模型
• 5.3.2 多通道慢光特性
• 5.3.3 其他多通道模型
• 5.4 小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 博士期间已发表论文及待发表论文
• 致谢