光子晶体低色散波导的研究-光学工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 摘要 摘 要 介电常数周期性排列的人工微结构——光子晶体能够利用其独特的能带结构 有效的控制光在空间中的传输。慢光效应正是光子晶体控光特性的力证。受周期 性散射元的强烈调制，光子晶体波导中的光信号不仅实现了慢光模式传输，同时 也产生了强烈的群速度色散，导致慢光模式下的光信号发生明显的波形畸变和脉 宽展宽，信号中加载的信息无法得到正确的辨识。综上所述，降低甚至消除慢光 传输过程中强烈的群速度色散对未来光子晶体在全光网络中的实际应用意义重 大。 针对上述问题，本论文的主要工作安排及研究成果如下： 1．首先详细的阐述了光子晶体能带分析和时域仿真中应用的核心算法：平面 波拓展法和时域有限差分法。在理解核心算法的基础上进一步分析了光子晶体波 导中三个重要晶格参数——有效折射率、空气孔半径及空气孔位置对能带结构的 影响，详细分析了有效折射率的增大，空气孔半径的变化及其位置的外移对能带 结构的影响。 2．首先介绍了异质结型（PN）光子晶体低色散波导的定义及其色散补偿原理。 然后分别分析了 P（Positive）型光子晶体波导的色散特性和 N（Negative）型光子 晶体波导的色散特性，研究表明随着第二排空气孔半径的变化，不仅色散曲线形 态发生改变，截止频率也会随着空气孔半径的变化而变化。通过分析它们的色散 特性确定色散补偿的范围为 1547.6nm-1552.5nm，且等效群速度为 25。最后通过时 域仿真验证了异质结型光子晶体波导的低色散特性，输出脉冲仅产生 5.3%的展宽， 且群速度理论值与仿真验证值基本一致。针对直接耦合型异质结光子晶体低色散 波导传输效率低的问题，设计了 PLN 型光子晶体低色散波导，通过添加线性段缓 解群折射率失配从而明显提高耦合传输效率，传输系数提高了 63.2%。 3．归纳总结了现有文献资料所提供的线性光子晶体低色散波导设计方法，分 别是改变散射元半径，调整散射元形态，调节散射元位置和控制波导宽度。在此 基础上提出新型线性光子晶体低色散波导设计方法，通过外移空气孔及改变空气 孔半径引入线性能带。详细的分析了空气孔的平移距离与孔径大小对能带产生的 影响，发现外移空气孔将引入线性能带，而空气孔半径控制群速度值与低色散带 宽。最后选择具有 6nm 低色散带宽的光子晶体波导作为实例进行时域仿真，仿真 I 摘要 验证了新型线性光子晶体波导的低色散特性，输出脉冲仅产生 3.9%的展宽，且群 速度理论值与验证值基本一致。 关键词：光子晶体，低色散波导，色散补偿，线性能带 II ABSTRACT ABSTRACT Photonic Crystal, an artificial micro-structure with dielectric constant periodic arranged, can effectively control the light propagation for its unique band structure. Slow light is a powerful proof that its ability to control the light propagation. Being strongly modulated by scattering cell arranged periodic, the optical signal achieves slow light propagation, meanwhile it also induces severe group velocity dispersion that will result waveform distortion and time-width broadening. The information can not be downloaded correctly from the distorted signal. In the summary, compress the group velocity dispersion and even eliminate it in slow light transmission is a vital step for photonic crystal used in all-optical network in the future. Focus on the dispersion problem, our work and research result are arranged as follows: Before the waveguide designing, two core algorithms have been detailed explai