光子晶體光開關關鍵技術研究.pdf

1、光子晶體器件利用帶隙約束導光機制，具有傳統(tǒng)器件所沒有的特性，并且器件尺寸很小，是未來集成光路元件的理想選擇。因此，它們在過去的二十年中得到了廣泛的研究。本文對基于光子晶體的新型光器件——光子晶體耦合光開關的一些關鍵技術進行了研究，主要包括：設計了三種不同的光子晶體耦合開關結構，利用平面波展開法（PWE）以及有限差分時域法（FDTD）進行了仿真，并對這些耦合開關的結構和性能進行了分析，從而為光子晶體光開關矩陣的深入研究打下了基礎。

2、 在緒論中，主要對本課題所涉及的理論基礎和研究背景進行了綜述。首先介紹了光子晶體的理論基礎，以及為了對光子晶體器件進行研究和計算所需的數值模型，包括PWE和FDTD；然后對光子晶體波導的耦合特性進行了分析，為后面幾章中設計光子晶體耦合開關結構提供了理論依據；最后對慢光的概念和研究進展進行了介紹。 在上述的基礎上，論文的第二章提出了一種新型的低串擾短耦合長度耦合器結構，這種結構可以克服目前已報道的光子晶體耦合結構具有高串擾和長耦合

3、長度的缺點。該結構采用的是一種級連結構，即一段具有低串擾長耦合長度的前端波導、一段具有高串擾短耦合長度的耦合波導以及一段具有低串擾長耦合長度的后端波導。這一結構在具有很短的總耦合長度的同時還可以獲得很低的串擾。利用PWE以及FDTD對該結構進行了仿真。通過仿真，獲得了較低的串擾，以及較短的總耦合長度。在2乘2方向耦合器的基礎上，還設計了一種4乘4的光子晶體耦合開關矩陣，以實現信號在多條傳輸路徑之間的轉換，通過數值實驗驗證了所設計器件良好

4、的傳輸性能。 論文的第三章對信號在光子晶體耦合結構中傳輸的動態(tài)控制進行了研究。現有的電控方法是在光子晶體材料中灌入液晶，然后通過改變所加電場的方向來改變耦合狀態(tài)，從而實現動態(tài)開關控制。然而，這種電控的方法不能很好地滿足光通信系統(tǒng)對于信號高速傳輸的要求，而且它需要有很多外加的輔助器件來實現。一種更為有潛力的方法是利用光控來改變信號光的傳輸方向。根據最近的研究成果，群速度很慢的光，即慢光，是一種可以應用在光子晶體方向性耦合開關中的理

5、想的控制光。這種光可以增大由折射率的微變所造成的相移，從而改變光子晶體材料的折射特性。在一些相關研究成果的基礎上，本章提出了一種2乘2方向耦合開關設計，這一設計可以利用慢群速度控制光來實現對傳輸信號傳輸狀態(tài)的動態(tài)控制。通過FDTD數值實驗結果表明，可以通過光控光的簡單方式來實現對信號光傳輸的動態(tài)控制。 論文的最后部分對動態(tài)光子晶體耦合開關結構進行了進一步探討。由于利用諧振腔來實現耦合的光子晶體耦合器件是一種能很好地實現動態(tài)開關的

6、結構，因此本章給出了一種諧振腔耦合開關的設計，并且通過加入控制光來改變這種器件的關鍵部分——諧振腔的參數，從而簡便地改變器件的光特性，實現對信號光的動態(tài)控制。利用FDTD仿真表明，可以成功地實現信號的動態(tài)開關，說明了這種結構作為動態(tài)開關矩陣的可能性。 本論文的研究主要針對基于光子晶體這種新型材料的各種新型耦合開關器件展開，即對平面光子晶體光開關進行設計和分析。所提出的幾種結構均有不同的創(chuàng)新點，為后續(xù)的研究打下了基礎。這些研究結果