硅基光子晶体慢光波导的设计与测试方法研究

论文摘要

随着硅光子学的飞速发展，硅基光子晶体器件引起了人们的高度关注，慢光波导更是其中的重要研究内容。光速减慢不只是神奇的物理现象，它既可以为时域光信号的缓存和处理的提供优越的解决方案，又可以广泛应用于增强光与物质相互作用、提高非线性等。光子晶体波导是由两种或多种具有不同介电常数的材料在空间周期性排列，并在其中恰当引入缺陷而形成的波导，具有良好的可集成性，灵活的可设计性和室温下可操控性。通过对光子晶体波导的结构和能带的精细调节，可以实现宽带低色散的慢光。本论文围绕硅基光子晶体慢光波导这个核心主题，主要工作包括：（1）调研了光子晶体与光速减慢的基础知识，分析了麦克斯韦方程组以及由此生发的各类仿真计算方法，如典型的平面波展开法和时域有限差分法。对比传统线缺陷型光子晶体慢光波导阐述了慢光实现的两种优化方式，即零色散型慢光和色散补偿性慢光，综合晶格移动（lattice-shift）和狭缝（slot）两种结构的优势创新性提出了lattice-shift slot结构，利用平面波展开法对器件的结构参数优化设计以精细调节色散曲线，最终实现了1550nm中心波长，带宽分别为25.72nm、15.6nm、5.1nm的宽带低色散慢光，对应的群折射率值为15.5、19、31，对于增强光场纳米尺度局限和提高光学非线性有着潜在的优势。（2）调研了众多慢光测试方法，结合实验室现有条件，以可调光延迟线替代光子晶体慢光波导搭建了一个简单的马赫-泽德干涉仪，给出测试图谱和数据分析，从光程差的角度验证了采用马赫-泽德干涉仪测量慢光波导群折射率的合理性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 光子晶体简介
• 1.2 光速与慢光
• 1.3 硅基光子晶体及其慢光波导的研究意义
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 光子晶体的基础知识和理论分析
• 2.1 光子晶体的分类与应用
• 2.2 光子晶体的工艺制作
• 2.3 光子晶体的麦克斯韦方程组
• 2.4 光子晶体的数值仿真方法
• 2.5 本章小结
• 3 硅基光子晶体慢光波导
• 3.1 传统线缺陷型光子晶体慢光波导
• 3.2 零色散型光子晶体慢光波导
• 3.3 色散补偿型光子晶体慢光波导
• 3.4 本章小结
• 4 一种新颖二维光子晶体慢光波导的优化设计
• 4.1 lattice-shift 光子晶体慢光波导
• 4.2 slot 波导
• 4.3 lattice-shift slot 光子晶体慢光波导
• 4.4 本章小结
• 5 慢光测试方法研究
• 5.1 测试方案论证
• 5.2 测试实验验证
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本论文工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献