光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节的研究（可编辑）

光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节的研究（可编辑） 独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位,是本人在导师的指导下,独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果,也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 敲角已 年月岁日.一;~辩..墩. :一,彳学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊光盘版 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致, 允许论文被查阅和借阅,同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入《中国 学位论文全文数据库》并向社会提供查询,授权中国学术期刊光盘版电子杂 志社将本论文编入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》并向社会提供查 询。 论文的公布包括刊登授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名:敲怨 指导教师签名:璋却 ?年石月岁日 年石月岁日分类号 密级 江荨大擎 硕士学位论文 光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究申请学位级别 专业名称 电垡扬皇邀遮撞苤 亟?一一 论文提交日期 论文答辩日期 .。 学位授予单位和日期 答辩委员会主席 评阅人 年月江苏大学硕士学位论文 摘要 随着电子器件的发展进入瓶颈,目前的光通信系统中,光子晶体由于其独特 的光学周期性质和传输光子的机理,已经吸引了越来越多的关注。近十几年里, 光子晶体中的慢光技术已经从最初的理论构想逐步发展成为一个涉及大量实际 应用的领域。在实现全光网络,全光缓存,光交换的进程中,光子晶体中的慢光 技术为此提供了更好的选择。光子晶体波导可以通过改变其结构特性和缺陷模式 实现对慢光的控制,而且其结构设计多样,易于控制和改变,本文围绕光子晶体 波导慢光的几个特性以及光子晶体波导群速度可控展开研究。论文主要完成的工 作和取得的研究成果如下: 通过对常用的几种材料所制作的光子晶体波导进行分析,采用介质基底 和缺陷模式相同但介电常数不同的光子晶体波导缺陷结构,分析比较产生慢光的 群速度及色散的情况,得出随着介质基底介电常数的增加,光子晶体慢光波导的 相对禁带宽度增加,缺陷模式导光频率降低,群速度减小。 设计了不同结构特性的二维光子晶体波导,分析其自身性能和带隙宽度 的差别。从光子晶体波导的介质柱形状分析了它们对带隙产生的影响。对于 光子 晶体波导慢光,设置不同的光子晶体波导的缺陷模式和不同的波导介质柱形状, 分析发现:随着填充因子的半径增加,群速度逐渐减小,导模的频率也同时减小, 更有效产生慢光。对于不同晶格形状的光子晶体波导,仿真发现圆形晶格要比方 形晶格光子晶体产生的禁带更大,导模频率略高,群速度也略高于方形晶格光子 晶体波导。 针对于光子晶体波导中的材料色散和波导色散,分别作了研究。理论分 析了波导色散的情况,仿真得出影响超平坦色散区域范围的因素,随着材料基底 介电常数的增加,超平坦区域的范围减小,但较大的相对介电常数在频带边缘可 获得更大的色散系数。方形晶格光波导的超平坦色散区域范围要大于圆形晶格。 通过控制光子晶体波导材料及结构可以灵活的动态控制光子晶体超平坦色散区 域的大小。 参考电光效应和热光效应的光子晶体动态调节方式,在设定热光的光子 晶体调节方式之后,研究慢光在导模中传输时的群速率情况。通过理论证明 了能光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 够快速调节群速度变化的因素,包括更大的介质柱半径,三角晶格结构,更高 阶 的导模,在动态控制时折射率变化更大的介质材料。 关键词:光子晶体,慢光,超平坦色散区域,群速度变化率 ?江苏大学硕士学位论文 , , . , ‘ . , ,. , ,.,. : ,, , , . ,,. , . ,光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 ,,. . ., .. .. ?, , ? ?.: , , ,,. , : , , 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。 .研究背景和意义. .研究现状.研究内容. .全文结构. 第二章光子晶体及光子晶体慢光波导概述.光子晶体基本理论..光子晶体基 本概念和制备..光子晶体的应用研究? ..光子晶体数值计算方法分析。 .慢光概述 ..慢光原理??。 ..慢光产生方法? ..慢光影响因素分析?。 第三章光子晶体波导线缺陷及慢光特性研究? .光子晶体慢光线缺陷波导分析..波导慢光异常色散性质 ..群速度和参数? .不同介电常数材料光子晶体慢光仿真..慢光波导分析. ..波导能带特性及导光频率比较??。 ..慢光群速度及色散比较??。 .其它缺陷模式与慢光的关系 ..填充因子与慢光的关系??.. ..光子晶体晶格形状与慢光的关系?. .本章??。 光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 第四章色散及群速度动态调节研究.超平坦色散区域分析.. ..材料介电常数与平坦色散的关系..晶格结构与平坦色散区域的关系 .动态调节群速度 ..慢光群速度变化机理? ..晶格特性对群速度变化率的影响..导模对群速度变化率的影响? ..波导特性对群速度变化率的影响..光子晶体波导的优化设计.本章小 结??. 第五章总结与展望。 . ?占?.?..?.?.??..?.??.??.?..??.? .展望??。 参考文献? 攻读硕士学位期间发表的论文? 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 .研究背景和意义 半导体技术在已经过去的半个世纪得到了全面的并且蓬勃的发展,在我们的 生活中无处不充斥着半导体的踪影:从日常用品到高科技,从微小器件到大型设 备。各种大规模集成电路,计算机,互联网等信息革命都是半导体出现的产物。 半导体器件的主要原理都是围绕如何利用和控制电子的运动来展开的。这就使得 电子在其中起到最关键的作用,但是,由于集成度和微型化的不断追求,电子的 量子隧穿效应逐渐突出,成为发展的瓶颈,光子就在此时进入了科学家们的视线, 电子器件的响应时间一般为母秒,而光子器件可达.秒;光子在通常 情况下互不干涉,具有并行处理信息的能力,在光计算中可以大大提高信息处理 能力。光子具有很多优点:一、极高的信息容量和效率。二、极快的响应速度。 三、极强的互连能力和并行能力。四、极大的存储能力。五、光子间相互作用很 弱,可极大地降低能量损耗。因此,光子成为了科学研究的主力军。 光子晶体这个概念是由美国实验室的.】在讨论如何抑制 自发辐射和普林斯顿大学的.在讨论光子局域时分别提出的,从出现以来 就受到了广泛的关注,是非常热门的研究领域,迄今为止已经取得异常迅猛 的发 展。光子晶体结构是通过光的折射率的周期性变化产生光子禁带,再引入缺陷控 制光在光子晶体中的传播或运动。根据光子晶体的结构,一维光子晶体只在单一 方向存在周期结构,禁带也就只能出现在这个方向。二维光子晶体在两个方向可 以出现禁带。三维光子晶体的周期性存在于各个方向,可以产生全方位的光子禁 带,光子在传播时被局域于其中不能继续运动。在光子晶体的禁带中引入一个缺 陷的结构,破坏了光子晶体禁带的情况,导致光子能级跃迁,只有一定频率的光 出现在这个禁带里,那么就可以形成一条光的通路,在禁带中产生慢光。“慢光, 顾名思义就是减慢光的传播速度;光子晶体中加入适当缺陷,能在光子禁带之中 制造出一个可以导光的缺吲,在此缺陷中光的群速度受到吸收损耗与折射率之 间的.关系,导致光速大幅度降低,产生慢光。在实际应用中,研 究和控制光的传播速度一直是人类的梦想。光予晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 目前的光通信系统中,包含有光交换、光学传感器、光缓存、光存储、光 路由等部分,这些地方都不同程度的用到慢光,所以其具有非常重要的研究价值, 在这些慢光的研究中,光子晶体波导慢光由于其常温下即可实现等优势,所以其 现在可以解决当前光通信技术中非常多的难。基于光子晶体波导的慢光技术在 解决光传输中信息量、信息率、带宽等问题上,已经取得了不少成绩,但这三个 问题仍是目前需要解决慢光技术中的主要问题。基于光子禁带的光子晶体器件功 能会更复杂,特别是各种动态可调器件将不断涌现如发光器件、光接收器件、 光开关、光调制器、波长变换器等,这些器件可在低输入光或电功率下工作, 拥有易调控、低功率、低功耗和响应快速等性能优势。我们可以预见,随着研究 的深入,基于光子晶体慢光传输设备的带宽,信息传输量和信息传输率会更优化, 光子晶体慢光负折射器件将会更加全面,高效的优化研究。光子晶体器件的出现, 在亚波长周期机器缺陷结构光学及应用,新型功能材料,低能耗纳米光子器件和 纳米继承光路的结构设计,为光通信及光电技术开辟了新的领域。 .研究现状 引起光子技术革命的光子晶体有很多独特的性质,可以应用于各种光学器件 的制作附】。而其中慢光效应就是它的很重要的特性,从年美国大 学的.、组利用电磁感应透明技术在玻色.爱因斯坦凝聚状态下实现光速 减慢到/开始,对慢光的研究就蓬勃的开展起来,并且不再局域于将光速 减慢,而是延伸到各个方面。目前实现慢光的方式主要有以下几种:增大介 质材料折射率;增大材料色散/国;增大波导色散/。以上 的三种实现慢光的方法里,针对折射率增大,在普通情况与真空中材料的折射率 差别很小,所以较为不可行。对于增大材料色散产生慢光,大多是通过电磁诱导 透明和相干布居振荡等方法来进行产生,其他的是通过受激布里渊散 射和受激拉曼散射等方法来得到吸收谱上增益的顶点,但是这些方法 也具有一定的缺点,最重要的缺陷体现在带宽,并且慢光产生的器件装置也很复 杂尤其利用相干布居震荡和电磁诱导透明方法的时候有很多的局限,包括对介质 材料和光传播的波长都有限制,使得增大材料色散来产生慢光的方法难以大量使 用。相对而言第三种方法即增大波导色散比较容易实现。所以增大波导色散的方 法是实现慢光的有效手段。在一些周期性的波导结构中,如微环耦合光学延 时门、 江苏大学硕士学位论文 方形耦合腔【】、半导体波导【】和光子晶体舢,光栅、光子晶体和谐振腔结构等, 由于波导结构参数与波长有关,于是能够获得大的锄/,从而获得低的群速度。 理论上光子晶体波导在禁带中可能实现慢光的群速度为零。 随着光速的减慢,与此同时也产生了矛盾就是光传输的带宽会变窄,导致色 散会增加。为了降低这种矛盾所带来的影响,多种光子晶体波导低色散甚至零色 散的结构逐渐的研究发展起来【’以,但是慢光中群速度和色散及带宽始终是无 法调和的矛盾。 光子晶体中的慢光效应可以实现很多作用,包括大的光传输时间延迟【、 增加光子的相移【】,产生大色散或者存在零色散【’,还有增强非线性效应【 等,在光学延时线、全光缓存和全光可调谐开关等领域起了科研人员的极大兴趣。 年,首次在一维光子晶体禁带的结构内发现了光脉冲即光波的 延迟情况【,为光子晶体慢光的发现打下了基础。 之后在年美国哈佛大学的..等人通过采用电磁感应透明这种 技术在在超低温下,原子间距离非常靠近,其行为类似液体形态的“超原子的 状态下实现了慢光光速为/。同样利用技术等在光通过铷蒸汽 时检测到光群速度为/。还有等人在电磁感应透明的技术中也得 到了慢光速度为邮圈。..等专家在研究中把温度设置为的较低 温度,利用电磁感应透明技术也在掺镨的中得到群速为/的慢光捌。 在光子晶体中实现慢光的研究情况,首先等研究学者又在光子晶 体波导中发现了光群速度为光速千分之一的慢光速度。 之后随着研究的深入学者】等研究小组在硅光子晶体波导内进行慢 光研究,实现慢光的群速度不到光速的三百分之一。 在年,丹麦的等研究组主要通过改变光子晶体波导线缺陷孔 半径的大小的方法,通过实验得到了光子晶体波导带宽为纳米左右,光脉冲 的群速度为光速的三十四分之一,产生的损耗为/。 年,等用基于绝缘衬底上的硅光子晶体波导,通过慢光技术也实 带宽达到. ,静态光子脉冲的延迟的带宽积为三十。但是由于静态时光 子晶体慢光中存在着延时带宽积,于是动态光子晶体慢光的研究开展起来, 比如 斯坦福大学里一个研究小组就针对动态光子晶体的慢光情况做了很多许多 理论 光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 上和实验上的研究【。利用动态光子晶体能够解决延时带宽积的存在,可以 使 得光波延迟的时间更长,慢光效应发挥的更显著。 等人刚设计的一种特殊的光子晶体波导慢光结构,即是利用热光 效应实现了光子晶体光群速的延时和连续可调。 针对于色散这个光子晶体慢光波导中始终存在的问题,目前国外已经报道了 采用/异质结构基底的光子晶体波导在./波长附近获得了很高 的色散系数,可以对约的单模光纤进行色散补偿【。针对于光子晶体 慢光的各种性能研究将会继续的开展,更多有利于实际光缓存,光交换等的器件 将会逐步的展现。 .研究内容 光通信技术中,信息传输的效果和可控的光延时有着重要的意义。为了寻求 更好的信息传输特性,实现更大的带宽和更慢的速度以及更小的色散情况,实现 动态调节光群速度以完成能够可控的光延时,所以从获得光子晶体波导慢光更优 化特性的角度出发,研究光子晶体波导慢光传输性能以及动态控制光群速度的变 化情况,得到本文的主要研究内容。 不同介电常数基底的光子晶体特性比较 采用几种常用的制作光子晶体材料作为基底,对光子晶体产生慢光时的带隙 特性以及慢光产生后的群速度、导模、色散等特性通过理论和仿真软件进行研究。 光子晶体波导慢光影响因素分析 采用仿真软件详细分析二维光子晶体不同特性对于光子晶体带隙宽度 的影响。对于慢光,采用软件,设计不同的光子晶体波导的缺陷模式, 分析其对于缺陷模式的群速度随着导模以及群速度值的变化情况。 超平坦色散区域研究 针对光子晶体波导中的材料色散和波导色散分别进行理论研究。通过改变慢 光波导结构,分析色散变化,得出超平坦色散区域的主要影响因素。 光子晶体波导慢光动态调节群速率研究 介绍不同慢光波导动态调节方式,在设定某种动态的光子晶体调节方式之 后,研究慢光在导模中传输时的群速度的改变和导致其变化的因素。 江苏大学硕士学位论文 .全文结构 本论文的章节安排如下: 第一章为绪论,详细介绍光子晶体,光子晶体波导的国内外研究现状,以及 本文主要内容和结构。 第二章介绍光子晶体的基本理论和算法,光子晶体波导慢光的基本理论,为 之后第三章及第四章的研究打下基础。 第三章对不同介电常数基底的光子晶体波导特性进行研究,仿真分析禁带、 导模群速度和色散的相关情况,分析不同慢光波导构造下慢光传输特性的区 别, 即在不同的缺陷模式下光子晶体波导特性和慢光的变化情况。 第四章介绍光子晶体波导慢光传输过程中的超平坦色散区域特性,接续上一 章的仿真分析不同光子晶体波导构造对超平坦色散区域特性的影响。介绍光 子晶 体动态调节的电光效应和热光效应,在此基础上通过理论及仿真分析光子晶体在 热光调节下群速度变化快慢所受到的影响因素。 第五章为总结和展望,对全文的研究内容和结果进行归纳和总结,分析研究 的情况以及可以进行的更近一步的工作。 光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 第二章光子晶体及光子晶体慢光波导概述 .光子晶体基本理论 年提出的光子晶体新概念作为一种新型材料,从出现以来就受到了各 方的极大关注,迄今为止已经取得了非常迅猛的发展。通过提出的光子晶体概念, 人们认识到了一种新的控制光子的机制,这种机制完全不同于以往利用全反射来 引导光传输,而是利用光子晶体周期结构产生的禁带来控制光子的速度,这种新 型的方式给光作为信息载体的光通信带来了新的方法和活力。 ..光子晶体基本概念和制备 光子晶体是具有不同介电常数的介质材料在空间周期排列形成的,结构的周 期性存在使其受到周期性折射率的影响产生光子禁带,光子传播时频率如果落在 禁带中的光子被严格禁止传播。如果为一维光子晶体结构,光子带隙只可能 出现 在一个方向上。如果存在三维的光子晶体周期结构,就非常可能出现全方位的光 子带隙,频率存在于禁带的光在任何方向都被禁止传播。在光子晶体中,正是通 过利用光的折射率的周期性变化,产生光子禁带,再通过制造缺陷于光子晶体中, 从而由光子禁带结构控制着光在光子晶体中的运动。在目前,大多数光子晶体都 是人工设计制造出来的,但是自然界中广泛存在着光子晶体的例子,比如蝴蝶翅 膀上的磷片等等。如图.所示: 图.光子晶体图例 由于普通晶体和光子晶体在周期结构上很相似,因此普通晶体的许多概念被 引入光子晶体中,包括能带、能隙、缺陷态等。在实际中光子晶体的制备多是由 两种介电常数不同的物质材料构成,其中低值介电常数物质常用空气做材料。因 在光子晶体中存在介电带和空气带。 江苏大学硕士学位论文 按照组成光子晶体的介质排列方式,可将其分为一维、二维和三维光子晶体 如图.。一维光子晶体是指的将固定厚度的两种不同折射率介质薄膜交替排 列,它只在一个方向具有周期性结构,而在另外两个方向上均匀排布,这样就可 以构成一维光子晶体。相比之下,一维光子晶体在结构上最简单,最易于制备。 二维光子晶体是指介质在两个维度上具有周期性变化,而在第三个方向上均匀排 布的结构,而且在二维光子晶体结构中很容易引入缺陷,产生禁带更好的控制光 的传输。二维光子晶体的易制备,易控制等的特点,使她成为当前光子晶体研究 的热点。三维光子晶体是指在空间中三个方向上都有周期性变化的晶体结构:全 方位的光子禁带有可能出现在三维光子晶体中,也就是说落在禁带中的光在每一 个方向都会被禁止传播。三维光子晶体这一特性有着良好的应用前景,但是由于 三维光子晶体对光子材料以及设计加工过程都有很高的要求,因此其制备方法比 较复杂,导致三维光子晶体也很难大范围的应用。 厂‖厶?// /’ 一维光子晶体 二维光子晶体 三维光子晶俸 图.三种光子晶体结构图 在实际应用中,光波光子晶体的制备【】要求有两种:首先对单个散射体的 几何尺寸和所有散射体定位精度均应该高于:其次能被加工的电解质材料 需要为在所用的红外或可见波段无吸收的。方法主要有以下几种:机械加工法、 双光子聚合法、半导体微制造法、激光全息光刻法等等。其中微波波段的光子晶 体晶格常数在厘米至毫米数量级,制作起来比较容易,一般用机械加工的方法实 现】。由于光子晶体的工作范围逐渐的推进到红外波段,导致其晶格尺寸与光 波的波长相当,工作波长越短,光子晶体的晶格尺寸越小,制造也就越困难,这 时就会使用目前先进的半导体微制造法,如激光刻蚀、电子束刻蚀、反应离子束 刻蚀等,电子束刻蚀可以制备晶格常数,图形特征尺寸从到 的光子晶体。而利用半导体刻蚀工艺,可以将光子晶体的图形由掩模转移 光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 到半导体材料上。这样能较容易的制造出二维光子晶体以及少量的三维光子晶 体。由于处于光波段的三维光子晶体晶格常数的大小在微米甚至于亚微米的范围 内,且其为完全多孔的结构,有着相当特别的亚微米级特有的三维周期特性, 因 此用半导体刻蚀工艺技术来构造二维光子晶体已经取得了相当大的进展,但在构 造可见光波段的三维光子晶体中依然有很大的困难。目前主要通过胶体晶体模板 法制备三维光子晶体,并且调节激光束的干涉和波长,可以改变三维形状的结构 和尺寸。对于在二维光子晶体中制造缺陷,目前最简单也最常用的一种方法是双 光子聚合法,它的理论构想是根据光子晶体所具有的周期性的结构,将两个光子 光聚合可以产生很规律性的周期性结构。而对于三维光子晶体中制造缺陷,目前 最长应用的是三光子聚合技术与胶体法和模板法三者相结合制造,运用这些技 术,在光子晶体中,就不仅可以引入点缺陷线缺陷,还可以引入其他形式的缺陷, 这种结束的应用有望制作大尺寸的缺陷态的光子晶体。 ..光子晶体的应用研究 用光子作为信息载体,最有希望的光学材料是光子晶体。当前,基于光子晶 体应用方面的研究工作主要集中在以下几个方面: 光子晶体光纤 光纤是利用光在纤芯和包层的不同介质面上的反射原理对光进行传播。光子 晶体光纤则是将光子晶体中折射率周期分布的平面膜扩大为折射率成径向周期 分布的同轴圆柱膜。一维光子晶体光纤的最大的优点是它可以将光约束在折射率 最低的轴心介质中无损耗的传播。目前研究出的有一维空心光子晶体光纤。二维 光子晶体光纤由含空气孔的纯二氧化硅构成,包括纤芯为实心二氧化硅及空气的 两种光纤,前者理论类似于折射导引光在纤芯中传播,后者由于光子晶体禁带的 存在缘故,可以将光完全局域在低折射率的空气纤芯中传播。美国一所大学的 .等学者研制出的具有规则的空气芯晶格的多孔光纤,此类多孔 的光纤可传输功率较高的光信号。光子晶体光纤的应用将会是多种多样并且 前景大好的。在未来广泛使用光纤网络进行光通信时,光子晶体光纤体积小,传 输效率高的优势就会逐渐显现。 江苏大学硕士学位论文 图.光子晶体光纤结构图 伪光子晶体波导 光子晶体之所以可以作为波导材料,是由于具有两种关键特性:即光子禁带 】和缺陷态【】。利用光子晶体周期性折射率引入缺陷在禁带中制造导光的器件即 为光子晶体波导,引入缺陷后在光子禁带中形成能带,就只有特定频率的光可以 通过。基本的波导结构有点缺陷构成的耦合腔波导和线缺陷波导,光子晶体线缺 陷波导使得波导的横向模式、纵向模式、传输带宽和传输速率及损耗等物理性质 都可以通过控制光子晶体波导的各种结构而得到控制。目前对于光子晶体波导的 各种研究正如火如荼的开展着。光子晶体线缺陷波导结构如图.所示。 图.光子晶体波导结构图 光子晶体滤波器【, 光子晶体具有优良的滤波特性。光子晶体滤波器与传统的滤波器相比,前者 在制造中可以实现较大的带宽,相对于电信号来说,更大的带宽可以应用于大范 围的滤波情况。作为一类基本的光通信器件,光子晶体滤波器具有体积小,可以 光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 单片高密度集成的突出优势,提出以来就被广泛关注。光子晶体滤波器是利用微 腔的作用,使得只有与光子晶体滤波器缺陷模式波长一致相应的光波长才能 在设 备器械中通过,其他的波长则会被禁锢于光子晶体滤波器内不能传播。这样就产 生了滤波的情况。 光子晶体反射器件 有着成像、聚光等作用的一种光学元件是反射镜,它对于任意角度的入射光 都能够高度反射。光子晶体所用材料的折射率能够周期变化。不同折射率的材料 的周期排列和变化能够产生光子禁带,所以,利用这个特点,如果有一束光射入 光子晶体中与禁带频率保持相同,那么在此带隙内的各个方位的光就可以全部反 射。光子晶体介质材料对光波的吸收时色散非常小,高效率反射镜在此条件下就 可以制造,比如一维光子晶体全方位反射镜嗍。全向反射镜的制造在光通信技术 中应用非常广泛,随着不断的研制和优化,光子晶体反射镜将会进入大规模的使 用。 光子晶体发光二极管【捌 在光通信系统中发光二极管起着关键性作用。传统的发光二级管受到全发射 以及横向导波的现象影响,光在传输时受到介质的无数次的反射,导致大部 分的 光不能有效的耦合,发出的光不能有效传递出组件,浪费很多,而光子晶体发光 二极管能够方便的制作并且操控光子的传输,这是因为添加光子晶体的谐振腔能 够改变光子的传播,让其绕过光子晶体块并且能够改善光的传输。光子晶体二极 管的制作方法一直是电子束光刻法。现在韩国的科学家利用激光全息技术的全新 制作工艺,也研制出了输出功率比以前提高两倍的发光二极管。 光子晶体天线 微波天线中表面波的存在是个严重的问题,会降低天线的效率,使天线的方 向图发生恶化,利用光子晶体的频率带隙,可以抑制表面波的传播,改善天线的 性能。光子晶体应用于天线中最主要能阻止特定的频段内的电磁波传播,当在微 带天线内加入光子晶体基底或结构,很有可能能够有效的抑制微带天线里表面波 的传输,提高天线的增益,降低天线的后向辐射,增加其抗干扰的性能;如果将 光子晶体应用于阵列天线,除了可以使辐射性能显著改善外,还利于相控阵天线 实现复杂的功能,对发展高性能的相控阵雷达系统具有重大的意义。设计光子晶 江苏大学硕士学位论文 体天线时,通常是将光子晶体结构和天线分别设计好,然后将两者组合在一起。 光子晶体天线的设计里,种类有很多,包括光子晶体微带天线、光子晶体口径耦 合微带天线、光子晶体卫星导航接收天线、光子晶体口径天线、光子晶体相控阵 天线、光子晶体贴片天线。光子晶体的发现,给此领域带来了福音。如针对某微 波频段可设计出所需的光子晶体,并以此作为天线的基片。那么当发射微波时, 由于此微波波段落在光子晶体的禁带中,因此微波不可能被基底所吸收,实现了 无损耗的全反射,把能量全部发射到空中。 .光子晶体天线图 光子晶体谐振腔 传统的金属谐振腔有很好的反射性,但电磁波频率越高.金属谐振腔的损耗 就越大。传统的光学谐振腔主要利用光在不同的介质交界面的反射实现,因而尺 度相对较大。由于光子晶体中所存在的完全禁带,光子晶体点缺陷能将禁带 频率 的光约束在其中,形成谐振腔的一般功能,因此光子晶体点缺陷即为光子晶体谐 振腔。针对选频和定域光这两个主要性能,光子晶体谐振腔常用的参数有本征频 率、品质因子、有效模体积、自发辐射增强因子等。用光子晶体做成谐振腔,在 下测得谐振腔温度为时,具有高达一万的品质因子,在.时品 质因子达到量级,这是因为光子晶体的禁带导致全反射造成腔体损耗很小。 与传统的介质和金属谐振腔相比,光子晶体谐振腔可以通过纳米结构设计控制它 的本征模式,在小尺度,高性能微腔领域具有明显的优势。 光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 ..光子晶体数值计算方法分析 光在光子晶体中传播满足麦克斯韦方程组的表达式,但由于光子晶体的结构 复杂,在标准的情况下很难求解,转换到高斯单位制下光子晶体中的麦克斯韦方 程为【】: ?矽 :一兰堡 . ×:望柑 其中皿?乞,?七玩,巨但,,曰,日,分别代表电通量,磁通 诲 量密度,磁场以及电场。 光子晶体具有以下的特点:空间无自由电荷和电流,所以,了;介质 中的场很小,以致可以忽略电场的高次场;非电磁材料所以‖。此即为光子 晶体满足的满足麦克斯韦方程的主方程式,其解由空间变化的介电常数加边界条 件决定。 平面波展开法 最早提出的用于计算光子晶体能带问题的方法是平面波展开方法。它直接应 用了光子晶体结构特有的周期性,将周期性介电常数和电磁场在倒格矢空间做傅 里叶展开,它将方程从实变空间变换到离散傅里叶空间,将能带计算简 化成代数本征问题的求解。应用超元胞技术,平面波展开方法也可推广应用于分 析光子晶体局域态和光子晶体波导本征模。平面波展开法计算能带具 有很多优点,比如编程直观简单,直接利用算法库中的傅立叶变换、矩阵对角化 等标准程序。平面波展开法也存在着一些缺点,比如计算量很大,公式非常复杂, 难以计算等等。另外针对于二维光子晶体,三维光子晶体等的复杂结构,由于结 构和公式复杂导致运算量更大,更难计算。针对于光子晶体中耗散等特性的 研究, 平面波展开法也存在移动的局限。 传输矩阵法 传输矩阵法主要应用于光学和声学领域中层状介质内电磁波及声波的传输 计算,其优点是可以直接求解材料的透射系数和反射系数。由于以上参数可在实江苏大学硕士学位论文 验中直接观察获得,所以由传输矩阵法得到的结果可以直接与实验数据比较、校 正。传输矩阵法主要基于方程理论,即相邻介质边界面处电场的简单连 续性条件。若场参数在某层介质的初始界面处已知,则可通过简单的矩阵运算演 算出该介质层终止界面处的场参数。多层电介质堆叠材料可由每层介质的矩阵表 示式构成的系统矩阵描述。计算的最后一步需要由系统矩阵反求透射和反射系 数。传输矩阵法假设空间中同一个格点层面上有相同的态和相同的频率,这样 可以利用方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间。这种方法对介电 常数随频率变化的金属系统特别有效。 【超晶胞法 超晶胞法广泛用于求解具有周期性边界条件的固态系统。这种固态系统可借 助于一种大型簇状结构来描述,当该结构足够大时量子力学理论内的中 心原子便可近似成固体内分布的原子。超晶胞法将人为的周期结构引入求解模型 以便更好地模拟系统的连续性,并运用布洛赫原理求解波动方程。这种理论应用 于几乎所有的电子结构分析法中,特别用来计算在周期性结构被破坏或存在“缺 陷’’的区域中引入“杂质态’’的情况。但与平面波展开法类似,当周期性结构破 坏严重时其计算结果的准确度会大大降低。 时域有限差分法 时域有限差分法的基本出发点是用差分代替微分。它也可以说是目前研究最 完全的光子晶体数值分析方法,时域有限差分方法可以解决光子晶体中能带、色 散、群速度、损耗透射率以及各种几何形状和复杂结构等等的各种问题。它主要 是依据选用规则恰当的四方网格,这样可以通过较为简单的时域有限差分方程来 替换掉麦克斯韦方程组,之后根据相应的边界条件和初始值,就可以计算出一系 列的结果。时域有限差分方法主要有几步:首先是分解麦克斯韦为标量方程,然 后在空间中分割出格点,用不同的符号表示出时间和空间的点。之后将差分 代替微分,根据精确阶求出方程的偏导数,这样得出的方程即为麦克斯韦方 程的有限差分方法的形式,根据边界条件和初始条件求解。时域有限差分方法几 乎可以应用于电磁场计算的各种问题。光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 .慢光概述 ..慢光原理 众所周知,在远程通信和高速信号处理过程中,主要使用光纤进行数据的传 输,而使用高速电路来实现数据的路由。未来通信网络中需要更大的带宽,这对 于光学设备很容易达到,但却很难利用集成电路技术来实现。因此,如果使用全 光网络即光节点中不包括光电转换器,就可以大大增加数据的吞吐量,并且可以 减少由于光电信号之间的转换而带来的噪声和误码。在全光处理过程中,重点是 对光信号进行存储、转换和延迟,而这些也正是慢光能带给我们的,如数据同步、 光存储器和信号处理过程等。慢光的一些主要应用前景包括光缓存器 中的光存贮、可变延迟线、延迟环和交错延迟线以及微波光子学中的实 时延迟天线馈源、滤光器、振荡器和采样系统。其在传感器、强化电光调制器和 强化非线性中也有一定应用。 一般而言,光在介质中的速度和介质折射率有关,而光的传播速度又可以分 为单一频率光波传播的相速和许多频率成分组成的光波波包传播的群速。简而言 之,相速是指单一频率的光波波前的传播速度,而群速则是指由许多频率成分组 成的光波波包的传播速度。光的相速和群速在介质中传播时都将发生变化,甚至 于可以通过某种技术进行调控。在这里要传递的光子信号是若干个承接消息的光 脉冲,每一单个传递的光脉冲都是一系列不同的光频率分量的加和,这就是所谓 的光波。这类型的光的波包在介质中传播时每种不同的频率分量将会通过不同的 相速度传输,光脉冲在光的传播时会产生一种突变,不同频率的光波包通过各异 的速度传播,所以这里不是通过“光脉冲的传输速率’’作为光群速度。依据光波 包巾电场的量纲的情况,可定义这个光脉冲能够平均到达传播地点的准确时 间为: 巴 . 川?,‘ . 二生????一 肿, ?? 光脉冲的传输的时刻定义为光波包传输时两个不同的波包平均到达的时间 之差。用这两点间的距离除以波包传输时间得到的速度才是严格意义的群速 度。 江苏大学硕士学位论文 我们知道,在真空中,光速为/,只要有光射入介质折射率为 的材料里,光的速度就会受到介质折射率的影响,变为:生:一。 国 万 在实际情况中由于折射率是频率的函数,同时光波包又不具有固定 的频率,实际中光波包是由非常多的光波包进行平面波的叠加产生的,同时 各个 平面波中不同频率都有不同的速度,这就被称作相速度: 缈 . %一 ?? 其中群速度%是某束光波包平均的光传播的速度,根据.式可知 砌、 ??一 ?? . 缈国 将.式求倒数即为群速度的表达式: . 其中,为光波频率,为光在真空中的传播速度,甩为介质的折射率,为 传播常数。 从上面公式可知,要想降低光信号光脉冲的传播速度,可以从两个思路来 进行考虑,其一是增大折射率刀,其二是增加折射率的相对变化率粤。由于普 国 通的介质折射率与真空中的折射率相差很小变化不大,所以单依靠增大折射 率刀 以获得光速的减慢是很有限的,因此考虑增大折射率的相对变化率竽。而如 果 口国 有办法使得折射率的变化率粤很大,则群速度会发生剧烈的变化,折射率的 变 以缈 化导致群速度变化,进而产生了色散,包括正常色散和反常色散【。 正常色散是指在普通介质中,光波包传输时产生的能量和传输的介质的分子 的电子能级的能量差不相等。正常色散中的色散曲线图表现为介质的折射率 以?依据波矢国的增大也单向的增大,这说明了砌缈/缈。所以反应在公 这种正常色散的增大使得群速度减小了。 式中% ??瓦’光子晶体波导慢光性能及群速度动态调节研究 如果色散曲线变化率非常大,那么可以知道/缈的改变比较剧烈,这种 情况下在频率附近的群速度会逐渐减小。 与此同时也出现了一些新型的慢光技术,提出了一些新的产生慢光的方法。 年南开大学张国权小组【勰】利用光波非线性耦合过程中位相耦合过程的色散 效应调控光速,并以具有强色散特性的光折变位相耦合效应为例,在室温下,在 固态介质中,实现了极慢的光速。这种的理论依据是这样的:不 考虑位相耦合条件的情况下,光在固态介质中传播,传播时的相对位 相的变化可以用这个公式表示:。,,, 所以说此时在固态介质中光的群速度的表达式即为公式.。在考虑存在 位相耦合效应的条件下,传播的光的相对位相变化则可以用后边这个公式表示: 啦,.力,恕,一哆?。 因此考虑位相耦合效应时在介质中传播的光的群速度的表达式为 固 圹毒 以位????旦 。? ? 从以上公式来看,光在介质中传播的群速度和很多的参数有关,分别为介质 的折射率以及色散情况,还有位相耦合系数砷的色散情况。假定如果位相耦合 效应的色散特性很强,那么脉冲光所产生的群速度主要由位相耦合系数砷的 色散特性决定,因此通过让位相耦合系数的变化率为正来产生更低群速度的慢 光。张国权小组等人在常温下实验得到光在光子晶体中传输的时间向后延迟了 毫秒,也就是光子晶体中光传播的群速度是./。 ..慢光产生方法 光子晶体中慢光的形成 由于制造光子晶体的材料一定是某种具有周期性介电常数结构并且是人工 制造的光子晶体。光子晶体独特之处在于有能带特性,而且两个能带之间可能存 在禁带,光子禁带中的特性是频率处于此范围内的光不能通过该禁带,被禁带局 域在其中。通过光子晶体这种能够局域光的特性,就可以制造出一系列的光通信 慢光器件来应用于实际。 江苏大学硕士学位论文 图.的光子晶体能带图显示了一个完整的光子晶体能带结构图,在这个图 中横轴为波矢,是光波入射进光子晶体的传播路径方向,图中纵轴为光在其中传 播的频率,可以明显的看出在图中标示出的灰色部分就是光子禁带,为这个频率 段内的光波不能在禁带中传播。这是因为光在光子晶体中传播的时候,如果 频率 落在了光子晶体的禁带范围内,那么因为光子晶体里没有与电磁波对应的传 播模 态,所以光波就会被全部反射回去,不能传播。 ?。?..?..?.,?.?..??? :?,:‘舭..??.. ‘’’’。。‘。。’’一。。:?”:‘‘‘ 。舢州‖;蠢:。?一。 “?一???.?. ..:::::: 曩::敬 罐重乏:津;:暮?零 “。:::::::?:二:.:::::::::: . 一,‘:?:’:?。。. .:‖” ,,,,,,,?,,,,; 一’,?一?:?。 ?。’。‘.?‘‘ .:“一。 。以: “‘ ??一?一?..??.. 。。盘:::::::::::.;;尊 :’’气钆:..: ’:娜“ . 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的增益或吸收与慢光产生处的频率是相对独立的,光子晶体的慢光器件结构设计 灵活,通过合理设计,可以在任意波长上实现慢光,结构体积小,便于与现有的 光通信器件集成,因此基于光子晶体的慢光具有良好应用前景。 电磁感应透明技术中慢光的形成 电磁感应透明技术最初是由的..的小组于世 纪年代发现到的一种现象。它是指用一束仔细选择好的频率激光来照射原子 云,从而对另一束特殊频率的光来说,原本不透明的介质变得透明,即有效地去 除了介质的作用。电磁感应透明的方法是采用量子相干效应减小甚至消去光在介 质中传播时介质对其的影响的一种方案。电磁感应透明的理论可以说是无粒子数 翻转放大的结果,但是爱因斯坦速度的方程反映出的结果是无粒子数反转的光放 大不可能出现。根据和还有等专家的意见,电磁 感应透明是由于光在介质中传输时存在受激辐射以及吸收这来两个部分引起的。 假定受激吸收过程逐渐的消减甚至于消失,才可能能够实现无粒子数的反转光放 大。假定受激吸收过程也不存在,那么介质也因为无法吸收而变化成了透明的??? 淇〃甫?ヤ??扮??规???椿?? 2锛 锛 ????朵??烘?姒?康???澶 ????朵???????????靛父?扮?浠?川????ㄧ??村??????舰???锛?????? ?? 瀛??浣垮?????ㄦ??ф?灏????奖??骇???瀛??甯?????浼???堕???????? 绂?甫涓?????琚?弗?肩?姝???? 濡??涓轰?缁村?瀛??浣????????甯??????藉?? ?ㄤ?涓????????????ㄤ?缁寸?????朵??ㄦ?缁??锛?氨??父????虹??ㄦ?浣??? 瀛?甫???棰??瀛??浜??甯?????浠讳??瑰??借?绂??浼?????????朵?涓??姝f?? 杩???ㄥ????灏??????? ???锛?骇???瀛??甯???? 杩????己?蜂?????朵?涓?? 浠? ?卞?瀛??甯??????剁????????朵?涓??杩????????锛?ぇ澶??????朵?? ??汉宸ヨ?璁〃?????ョ?锛??????剁?涓?箍娉???ㄧ?????朵????瀛??姣???磋?缈 ? ???7???绛? 濡??2锛 ? ず锛 ? 锛 ????朵??句? ?变??? ?朵????瀛??浣???ㄦ?缁??涓???镐技锛??姝ゆ????浣??璁稿?姒?康琚 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