光子晶體波導(dǎo)寬帶慢光及傳播損耗特性研究.pdf

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1、分類號(hào)學(xué)號(hào)D201177672密級(jí)學(xué)校代碼10487博士學(xué)位論文光子晶體波導(dǎo)寬帶慢光及傳播損耗特性研究學(xué)位申請(qǐng)人：唐劍學(xué)科專業(yè)：光學(xué)工程指導(dǎo)教師：王濤教授答辯日期：2014.8.23 ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringWidebandslowlightandpropagationlossinphotoniccrystalwaveguidesPh.D.CandidateMajor::::Ta

2、ngJianOpticalEngineeringProf.WangTaoSupervisorCo-SupervisorHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaAugust,2014 獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作

3、者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密□，在不保密□。年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于（請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√”）學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日 華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文摘要光器件的集成化和寬帶化是未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。其中，光緩存和全光信號(hào)處理是實(shí)現(xiàn)全光

4、網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。慢光以其具有極低的群速度，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)光緩存和時(shí)域光學(xué)信號(hào)處理非常有前景的解決方案。同時(shí)，慢光能夠空間壓縮器件中的光能量，從而提高各類線性、非線性光學(xué)效應(yīng)。目前，慢光的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要包括電磁誘導(dǎo)透明、相干布局振蕩、受激布里淵散射、光子晶體波導(dǎo)、耦合諧振光波導(dǎo)、表面等離子激元波導(dǎo)等。其中，光子晶體波導(dǎo)不僅體積小、易于實(shí)現(xiàn)高密度集成，而且可以在室溫下工作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較大的帶寬和較低的色散，與其他實(shí)現(xiàn)慢光的方法相比具有很大的優(yōu)勢(shì)。本論文從光子晶體的基本概念出發(fā)，介紹了光子晶體波導(dǎo)的電磁理論基礎(chǔ)與數(shù)值模擬方法，然后具體給出了幾類光子晶體波導(dǎo)的理論設(shè)計(jì)，并

5、分析了各類波導(dǎo)的慢光特性。最后對(duì)光子晶體波導(dǎo)中的傳播損耗特性進(jìn)行了較為深入的分析。全文的研究?jī)?nèi)容如下：(1)提出了兩類晶格移動(dòng)型的寬帶慢光光子晶體波導(dǎo)。我們采用平面波展開法對(duì)兩類光子晶體波導(dǎo)進(jìn)行了能帶計(jì)算并分析了其色散特性。第一類是超晶格在沿波導(dǎo)方向?yàn)閮蓚€(gè)晶格周期的結(jié)構(gòu)，通過有選擇性地調(diào)節(jié)靠近線缺陷的各排空氣孔的偏移量，我們得到了六種優(yōu)化的慢光波導(dǎo)。當(dāng)群折射率的波動(dòng)范圍限制在10%范圍內(nèi)，我們實(shí)現(xiàn)了平均群折射率分別為31，44，61，71，94和132，在1550nm中心波長(zhǎng)處對(duì)應(yīng)的帶寬分別為19.1nm，13.0nm，9.0nm，7.5nm，5.5nm和3.6

6、nm的寬帶慢光。六種優(yōu)化慢光波導(dǎo)的群折射率帶寬積均保持在0.3以上。第二類是超晶格在沿波導(dǎo)方向?yàn)槿齻€(gè)晶格周期的結(jié)構(gòu)，同樣是通過調(diào)節(jié)各排空氣孔的偏移量，我們得到了五種優(yōu)化的慢光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了平均群折射率為24，33，46，57和66，在1550nm中心波長(zhǎng)處對(duì)應(yīng)的帶寬分別為24.2nm,17.6nm,12.8nm,10.1nm和8.6nm的寬帶慢光，其群折射率帶寬積基本保持在0.37左右。我們使用了時(shí)域有限差分方法對(duì)幾種優(yōu)化的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。時(shí)域仿真的結(jié)果與平面波展開法得到的結(jié)果非常吻合，時(shí)域上極小的脈沖展寬也證實(shí)了慢光波導(dǎo)的低色散特性。I 華中科技大學(xué)博士學(xué)位論

7、文(2)基于橢圓形空氣孔的光子晶體結(jié)構(gòu)，我們提出了兩類不同的寬帶慢光光子晶體波導(dǎo)。第一類是超晶格在沿波導(dǎo)方向?yàn)橐恢芷诘慕Y(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)第一排橢圓孔的方位角第三排橢圓孔的偏移量，我們得到了四種優(yōu)化的慢光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了平均群折射率分別為46,63,78和100時(shí)，在1550nm中心波長(zhǎng)處對(duì)應(yīng)的帶寬分別為13.5nm,9.4nm,7.8nm和6.1nm的寬帶慢光。四種優(yōu)化慢光波導(dǎo)的群折射率帶寬積均保持在0.39左右。第二類是超晶格在沿波導(dǎo)方向有兩個(gè)晶格周期的結(jié)構(gòu)，通過有選擇性調(diào)節(jié)某些處于第一排的橢圓孔的排列方式和位置，我們得到了三種優(yōu)化的慢光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了平均群折射率為54

8、,69和80，在1550