基于光子晶體波導的寬帶、低色散、低損耗慢光的研究及制備.pdf

1、慢光（將光速減慢）是最近十幾年人們提出的新穎話題，一經(jīng)提出，立刻吸引了全世界科學家的目光。長久以來，光是人們公認的宇宙中速度最快的物質(zhì)，其速度被認為是不可以被改變的。隨著現(xiàn)代納米技術(shù)及集成光路的發(fā)展，特別是硅基光子學的發(fā)展，人們在絕對零度下的原子蒸汽，半導體量子阱，微環(huán)陣列，光子晶體波導中都觀察到了光速的減慢。與其他的方法相比，光子晶體波導具有最大的慢光帶寬，最小的慢光損耗，最小的器件體積和工作在室溫之下等優(yōu)勢，被認為最有發(fā)展前途。本論

2、文在“國家重點研究發(fā)展計劃(973 計劃)前期預研專項”和“國家自然科學基金”的支持下，重點研究光子晶體慢波波導中存在的主要問題，設(shè)計和制備了寬帶、低色散、低損耗的光子晶體波導，提高了慢光的品質(zhì)因子，取得了如下成果：
　　 (1) 從平面波展開法出發(fā)并結(jié)合時域有限差分算法，設(shè)計了一種新型的基于絕緣體上硅(silicon-on-insulator, SOI)的U 型群折射率光子晶體波導，通過移動光子晶體靠近波導的兩排孔來獲得寬帶慢

3、光。這種新提出的U 型波導只修改了常規(guī)光子晶體波導中的一個參數(shù)，在工藝上沒有增加任何難度。并且，這種U 型波導可以提供極大的帶寬（>40nm）極低的色散（<2nm.ps）或極低的光速（光速減慢為原來的200倍）。更為重要的是，對此波導的建模仿真表明連續(xù)的改變移動偏移量可以連續(xù)的改變慢光性能，實現(xiàn)了靜態(tài)可調(diào)慢光。
　　 (2)分析和總結(jié)了當前光子晶體慢光波導的研究現(xiàn)狀，對文獻報道的各種結(jié)構(gòu)的慢光波導進行了對比，分析它們慢光性能的差

4、別及其優(yōu)缺點。經(jīng)過這些調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)當前文獻報道的各種慢光波導結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因子——“歸一化延遲-帶寬積”都小于0.3，極個別結(jié)構(gòu)具有大于0.3的“歸一化延遲-帶寬積”，但是隨著“歸一化延遲-帶寬積”
　　 的增加，慢光效應被大大減弱（光速被增大）。也就是說，之前提出的結(jié)構(gòu)，慢光品質(zhì)因子和慢光效應成反比，相互制約。
　　 (3) 從推導“延遲-帶寬積”的公式出發(fā)，我們系統(tǒng)分析了光子晶體波導的各個結(jié)構(gòu)參數(shù)與最終的“延遲-帶寬積

5、”之間的關(guān)系，指出影響光子晶體波導的兩個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出了一種有效的提高光子晶體波導的“延遲-帶寬積”并同時維持器件的慢光效應不變的系統(tǒng)優(yōu)化方法。我們對之前提出的U 型群折射率波導應用這種優(yōu)化方法，成功的將“延遲-帶寬積”由0.15 提高到0.35，而群速度維持在c/90不變。慢光的品質(zhì)因子被提高了130％，而慢光效應沒有被降低。我們提出的這種優(yōu)化方法也同樣適用于之前文獻報道的其他光子晶體慢光波導。
　　 (4) 我們對光子晶