（电磁场与微波技术专业论文）二维光子晶体波导慢光及其动态调制研究.pdf

独创性( 或创新性，声明删 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：煎! 壑鱼 本人承担一切相关责任。 日期： 丝二2 二 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 互! 努! 夏 日期： 型l ! 二仨 ： 导师签名， 园殇瓠 日期： ? 。f 0 j f j ? 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 二维光子晶体波导慢光及其动态调制研究 摘要 近年来，为了彻底打破光纤通信系统的“电子瓶颈，实现全光的信息 处理和全光交换路由，关于全光网络的研究已经变成了光纤通信领域研究 的热点。实现全光网络，全光缓存是必不可少的关键器件之一，网络节点 的吞吐量、丢包率、通道竞争都需要用到光缓存器。光子晶体概念的提出， 为我们实现全光缓存提供了全新的更好的选择。光子晶体波导中，导模受 到光子晶体的强结构色散，群速度会大幅度降低，形成光子晶体慢光效应。 光子晶体与其他可实现慢光的介质相比，具有潜在的带宽大、结构设计灵 活、体积小、便于与现有的光通信器件集成、易于控制等显著优势，因此 用光子晶体慢光实现光缓存，可以获得更好的缓存性能。但是，就实际光 缓存的应用而言，光缓存必须能够通过外部控制实现模式的开关、选频、 滤波以及延迟时间的动态可调，由于缺乏合适的材料和制作工艺，慢光特 性可调的光子晶体非常难以实现，所以对于慢光传输的动态调制具有非常 重要的研究意义。 本论文研究了光子晶体波导慢光的特性，并重点讨论了光子晶体慢光 传输特性的外部动态调制。主要包括以下几部分内容： 首先，概述了光子晶体的基本概念、基本特性、相关应用以及理论分 析和研究的方法；然后，介绍了慢光的基本概念、光子晶体慢光的原理和 实现慢光传输特性动态可调的方法。 其次，介绍了光子晶体带隙计算的方法和波导慢光特性的仿真方法， 并从慢光特性动态可调的角度出发，设计了两种新型的二维光子晶体波导 结构，包括聚合物光子波导和耦合腔阵列光子晶体波导结构，并分别研究 了其带隙特性、慢光特性，分析了其传输特性随着外加调制电压变化的规 律。 再次，研究了光子晶体慢光在未来光互连中的潜在应用，设计了一种 尺寸很小，却能在低调制电压的条件下实现高带宽的马赫曾德尔电光调制 器。给出了调制器的结构设计以及半波调制电压、调制带宽的理论分析方 法，然后分析了单分支光子晶体结构的优化设计，并采用两种思路对其调 制特性进行了数值分析，验证了所设计结构在参数上的改进和优化。 北京邮电大学硕士学位论文摘要 最后，对所做的研究进行总结，并给出下一步工作的展望。 关键词：光子晶体慢光光缓存耦合腔阵列光波导动态调制聚合 物光互连 、一 北京邮电大学硕士学位论文 r e s e a r c ho np r o p e r t i e sa n dd y n a m i ct u n i n g o fs l o wl i g h ti nt w od i m e n s i o n p h o t o n i c c r y s l f = f 气l j ：f 气v e g u i d e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i no r d e rt oc o m p l e t e l yb r e a kt h e ”e l e c t r o n i cb o t t l e n e c k ”i nt h eo p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a c h i e v ea l l - o p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n da l l - o p t i c a ls w i t c h i n g , a l l o p t i c a ln e t w o r k sh a v eb e c x ) m ear e s e a r c hf o c u s a l l o p t i c a lb u f f e r sh a v eb e e nc o n s i d e r e d a sk e yc o m p o n e n t sf o ra l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ss i n c en e t w o r k t h r o u g h p u t ，p a c k e tl o s sr a t e ， c h a n n e lc o m p e t i t i o no fn e t w o r kn o d e ，a l lr e q u i r eo p t i c a lb u f f e r s p h o t o n i cc r y s t a lp r o v i d e su s an e wa n db e t t e rc h o i c et oa c h i e v ea l l - o p t i c a lb u f f e r s i np h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e ，t h e g u i d e dm o d ei si m p a c t e db yt h es t r o n gs t r u c t u r ed i s p e r s i o no fp h o t o n i cc r y s t a l ；t h eg r o u p v e l o c i t yw o u l db ed r a s t i c a l l yr e d u c e d c o m p a r e dt ot h eo t h e rs l o w - l i g h tm e d i u m ，p h o t o n i c c r y s t a lh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s , s u c ha sh i g h e rp o t e n t i a lb a n d w i d t h ，f l e x i b l es t r u c t u r e d e s i g n ，s m a l ls i z e ，e a s yt oi n t e g r a t i o nw i t he x i s t i n go p t i c sc o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa n d t u n a b l e ，e c t t h e r e f o r e ，o p t i c a lb u f f e r sw i t hs l o wl i g h tp h o t o n i ec r y s t a lc a na c h i e v eb e t t e ra n d m o r e p r a c t i c a lo p t i c a lb u f f e r ss o l u t i o n h o w e v e r , i ti si m p o r t a n tf o r t h eo p t i c a lb u f f e rt h a tt h e s l o wl i g h tg u i d e dm o d ec a nb et u n e db yt u r n e do no rt u r n e do f f , t or e a l i z ef r e q u e n c ys e l e c t i n g a n dg r o u pv e l o c i t yc o n t r o l l i n g d u et ot h el a c ks u i t a b l em a t e r i a l sa n df a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s ， s ot h a tt h er e s e a r c ha b o u tt h ed y n a m i cc o n t r o lo fs l o wl i g h tm o d ei so f g r e a ti m p o r t a n c e t h i sp a p e rs t u d i e dt h ep r o p e r t i e so fs l o w l i g h tp h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e ，a n df o c u s e d o nt h ee x t e r n a ld y n a m i cm o d u l a t i o no fp h o t o n i cc r y s t a ls l o w l i g h tp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i tm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： f i r s t l t h eb a s i cc o n c e p to fp h o t o n i cc r y s t a l sa n dc h a r a c t e r i s t i c si so v e r v i e w e d r e l e v a n t a p p l i c a t i o n sa n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho np h o t o n i cc r y s t a l sa r ei n t r o d u c e d t h e n ，t h ec o n c e p to f s l o wl i g h t , t h ep r i n c i p l eo fp h o t o n i cc r y s t a ls l o w l i g h ta n dt h e k e ym e t h o d st or e a l i z i n g t u n a b l ep h o t o n i cc r y s t a la r ep r e s e n t e d s e c o n d l y , t h ep h o t o n i cb a n dg a pc a l c u l a t i o n so fs l o wl i g h tw a v e g u i d e sa r ei n t r o d u c e d f o rr e a l i z i n gt h ed y n a m i cs l o wl i g h t p r o p e r t i e s ，t w on o v e l - d e s i g n e dt w o d i m e n s i o n a l i 北京邮鱼查堂堡主兰竺垒查 笪箜里坠翌 _ _ _ - _ - - _ - - _ _ - _ - _ _ _ - _ - l _ - _ - - - - _ - _ _ - - - - _ l _ _ _ l _ l _ - 一一 一。 p h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r e sa r cp r e s e n t e da n da l s ot h er e l a t e db a n d g a pp r o p e r t i e s ，s l o wl i g h t p r o p e r t i e s ，t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h ea p p l i e dm o d u l a t i o nv o l t a g ev a r i a t i o na r e a l s o s t u d i e d t h i r d l y , t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o no fp h o t o n i cc r y s t a l s l o wl i g h ti nt h ef u t u r eo p t i c a l i n t e r c o n n e c t si ss t u d i e d am a c h z e h n d e re l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o rw i t hs m a l ls i z ea n dh i g h b a n d w i d t hi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ed e s i g no ft h em o d u l a t o r , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f h a l f - w a v ev o l t a g ea n dm o d u l a t i o nb a n d w i d t ha r ep r e s e n t e df i r s t ；t h e n ，t h ed i s p e r s i o n m a n a g e m e n to f t h eb r a n c hp h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r ei sa n a l y z e d ；a l s o ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s a n a l y s i so ni t sm o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a r ed o n ei nt w od i f f e r e n tw a y s f i n a l l y , c o n c l u d ea l lt h er e s e a r c ho ft h ep r e v i o u ss e c t i o n ，a n dg i v ep r o s p e c t sf o r f u t u r e w o r k k e yw o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l s ；s l o wl i g h t ；o p t i c a lb u f f e r ；c o u p l e dp h o t o n i cc r y s t a lr e s o n a t o r a r r a y s ；d y n a m i cm o d u l a t i o n ；p o l y m e r ；o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n k 一 、 一i 北京邮电大学硕士学位论文目录 摘要 目录 目录 i l 第一章绪论 1 1j ；i 言1 1 2 论文的选题背景和研究意义2 1 3 国内外研究进展3 1 4 论文的主要工作。4 第二章光子晶体及光子晶体波导慢光概述 2 1 光子晶体概述7 2 1 1 光子晶体的基本概念 1 l 7 2 1 2 光子晶体的基本特性8 2 1 3 光子晶体的应用研究1 0 2 1 4 光子晶体的理论分析方法1 4 2 2 光子晶体慢光概述1 5 2 2 1 慢岁匕的 8 t 念1 5 2 2 2 光子晶体慢光的原理1 6 2 2 3 慢光的动态调制分析1 7 2 3 本章小结1 9 第三章 线缺陷光子晶体波导中慢光传输的动态调制一一。一2 0 3 1 光子晶体波导的理论分析方法2 0 3 1 1 光子晶体本征方程的求解2 0 3 1 2 平面波展开法中的超胞技术2 4 3 2 聚合物光子晶体波导传输特性分析2 5 3 3 慢光传输特性的动态调制的分析。2 7 3 4 本章小结3 0 第四章 耦合腔阵列光子晶体波导中慢光传输的动态调制。一。一。一一3 l 4 1 耦合腔阵列光子晶体波导传输特性分析 - ， 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近二十多年来，通信事业的迅猛发展在很大程度上要归功于光纤通信技术进步所带 来的巨大带宽资源。光纤通信由于其巨大的传输容量和优越的传输性能，已成为国家信 息基础设施的重要支撑技术，是国家骨干传送网和信息传输的主要方式。光的复用技术， 如波分复用( w d m ) 、时分复用( t d m ) ，越来越受到人们的重视。但在以这些技术为基础 的现有通信网中，网络节点的交换路由要完成光一电一光的转换，因而在数据传输和处理 速度达到一定程度时就会受到“电子瓶颈 的制约，难以实现高吞吐量的、无阻塞的透 明网络。在目前的光通信技术中，光子技术仅仅在大容量信息传输中得到应用，而在更 重要的信息处理等方面依然采用电子技术，极大地限制了光通信技术的潜力，也使目前 网络技术的发展停滞在难以更进一步的水平上。 近年来，为了彻底打破光纤通信系统的“电子瓶颈，实现全光的信息处理和全光 交换路由，关于全光网络的研究已经变成了光纤通信领域研究的热点。全光网络中光信 号的流动不再有光电转换的障碍，直接在光域内进行信号的传输、再生和交换选路， 中间不经过任何光电转换，克服了途中由于电子器件处理信号速率难以提高的困难，大 大提高了传输速率；且全光网络对各种通信协议s d h 、a t m 、i p 等等具有透明性，同 时能够提供频宽的动态配置，在任何节点可以抽出或加入某个波长，具有很高的灵活性 和可靠性。然而实现高速的全光网络，有还需要实现几个非常关键的技术：超高速光源、 光开关、光时钟同步与恢复、光波长转换、光缓存等。其中，全光缓存是实现信息传输 和处理的必不可少的关键器件i 卜2 】。在全光网络中，一些信息处理功能( 如时分复用，速 率转换或匹配，优先级竞争等) 需要在光层直接实现而且不能附加不必要的延迟，全光 缓存技术是必需的。网络节点的吞吐量、丢包率、通道竞争都需要用到光缓存器。 所谓光缓存器是指可以读写信号控制的延缓光信号时间的器件。实现光缓存的思想 有：控制光传输的长度、控制光的群速度、或者二者同时进行。其中光纤延迟线就是采 用控制缓存长度的方法，它也是实现全光缓存的简单可行的方案之一。光纤延迟线中数 据的缓存实际上是通过光在延迟线中的延迟来实现的【3 1 。虽然利用光纤延迟线能实现全 光缓存功能，但要实现一定长度和一定速率的光缓存，需要很长的光纤。光纤延迟线的 最大缺点是没法实现读写控制。另外还有一些光缓存方法，如基于电磁诱导透明( e i t ) 和原子气、固态材料的慢光缓存器，但因为其成本昂贵，制作工艺复杂，且需要大量辅 助设备，很难在实际中得到应用。迄今为止，还没有研究出可大规模商用的全光缓存器， 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 尽管国外许多学者已经提出各种全光缓存器的解决方案，但全光缓存距离实用化还有一 段距离，其稳定性还有待进一步提高目前还有许多问题有待解决，如速率、延时、稳 定性、存储容量、集成化等。可以看出，基于全光缓存器的研究和设计对于未来全光网 络的实现具有十分重要的意义。 光子晶体概念的提出卜5 1 ，为我们实现全光缓存提供了新的更好的选择对于二维 光子晶体，如果我们在其中引入缺陷，光传输时就会被完全限制在缺陷里面，并沿着缺 陷的方向前进，从而形成光子晶体波导( p c w ：p h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d c ) 光子晶体波 导中，导模受到光子晶体的强结构色散，群速度会大幅度降低，形成光子晶体慢光效应 经过理论研究和实验观察可知m 1 ，光子晶体与其他可实现慢光的介质相比，其主要优势 在于：群速度低，理论上群速度可以降到真空光速的1 0 r 6 倍；潜在的带宽大；结构设计 灵活，通过合理设计，可以在任意波长上实现慢光；光子晶体结构体积小，便于与现有 的光通信器件集成；存储时间可以通过对材料和结构的调节进行调整。因此，基于光子 晶体的慢光具有良好的应用前景。用光子晶体慢光实现光缓存，以得到更好的缓存性能 和更有实用性的缓存方案，对全光网络的发展具有非常重要的意义 1 2 论文的选题背景和研究意义 目前，光子晶体由于其巨大的科学价值和应用前景，倍受科学界的瞩目，已成为一 个非常热的研究领域，关于光子晶体慢光的研究也已经有了大量相应的研究成果睁删。 但是光子晶体慢光的研究大多集中在如何通过结构设计得到更慢的光速度i 引，或改善慢 光性能睁1 0 l ，如减小导模的传输损耗、增大可用的工作带宽、改善群速度色散特性等方 面，对于实现灵活可控慢光传输的研究以及光子晶体慢光在未来全光网络中的应用的研 究都比较少。 但是，在实际应用中，第一，光缓存器必须能够通过外部控制，快速地打开写入数 据进行存储，同时也能够方便地释放读出数据，实现慢光模式的开关；第二，光缓存器 必须能通过外部控制实现慢光模式的选频，根据实际中需要进行缓存的光频率适当地调 整外部控制的条件，使得光子晶体慢光光波导支持的慢光模式与缓存频率一致：第三， 光缓存器必须能够通过外部控制实现延迟时间的动态调制，从而动态的调整缓存数据的 时间。由于缺乏合适的材料和制作工艺，光子晶体波导中折射率的改变量通常很小，使 得可调的光子晶体慢光特性这一看似简单的功能，却非常难以实现。而在光子晶体集成 光路、光缓存器等实际应用中，慢光传输的动态调制显得更加重要。所以对于慢光传输 的动态调制这一选题具有非常重要的研究意义。 在计算机发展的几十年中，不论是c p u 内部，还是处理单元之间，甚至是计算机之 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 间，电互连始终占居着主导地位。但是，电互连的有限带宽、严重串扰、高功耗等，都 制约了芯片处理性能的发展。光互连由于可以从系统级彻底解决电互联的上述缺陷，近 年来也得到长足的发展1 1 1 。1 3 1 。光子晶体慢光由于可以增强光与物质的相互作用，新颖的 控光特性，可以很好的改善现在芯片互联难于实现的缺点，有望在未来光互连系统中得 到应用1 1 4 彤】，但目前相关研究才刚刚起步，具有重要的意义和前景。 基于以上分析，本论文拟对光子晶体慢光传输的动态调制以及光子晶体慢光在未来 光互连中的应用进行研究，为光子晶体应用于光延迟、光缓存和光互连的实现提供理论 基础。 1 3 国内外研究进展 光子晶体慢光的相关研究一直是光子晶体和全光网络领域的研究热点。1 9 9 9 年， j d j o a n n o p o u l o s 等人对光子晶体平板单模波导特性进行详尽的分析1 1 6 1 。2 0 0 3 年以后光 子晶体慢光的研究开始得到迅速发展，各国的研究着先后在理论和实验研究中获得慢光 1 1 7 - 1 9 j 。2 0 0 5 年，i b m 公司的研究人员y u f i ia v l a s o v 等人在 n a t u r e ) 上撰文称在光子 晶体的多孔硅通道成功地将光速降为不到正常速度的三百分之一【1 8 1 。丹麦的f r a n d s e n 研究组主要采用的改变孔径大小的方式，在实验上获得了带宽为l l n m ，、群速度在c 3 4 左右的慢光1 1 9 j ；2 0 0 5 年，g e r s e nh 等人在p r l 上发表文章称，在s i 基2 d 光子晶体波 导中用干涉法实验得到了1 0 - 3 c 速度的慢光l 冽。日本n e c 公司则利用为集成光学缓存而 生长的介质柱光子晶体波导，通过5 x 5 m m 的柱子光子晶体小片，实现了几十个纳秒的 延时【2 。 光子晶体耦合腔光波导( c c w ：c o u p l e dc a v i t yw a v e g u i d e ) 慢光的研究近些年也有了 很快的发展【弘圈。1 9 9 9 年，a y a 晰等人首次提出耦合腔光波导结构，并在理论上证明 了该结构具有非常平坦的导模，可以实现很小的群速度1 2 2 1 。2 0 0 2 年，日本的k a z u h i k o 通过紧密束缚法对c c w 结构的慢光群速度特性进行了分析1 2 3 1 ，并根据其大色散特性提 出c c w 结构可用于色散补偿。2 0 0 4 年，h a l t u g a 等人在斯坦福大学设计并制作了可实 现慢光、并具有全方向平坦导模的c c w 结构1 2 4 l 。2 0 0 7 年日本n t t 公司在 n a t u r e p h o t o n i c s ) ) 上撰文，报道了在超小光子晶体微腔中获得2 x 1 0 - 5 c 的超慢光速【2 5 l 。 关于光子晶体动态调制方面的研究相对较少。2 0 0 3 年开始出现有关可调光子晶体的 报道l 酗7 l ；2 0 0 5 年美国m t t i n k e r 等人研究了基于热光效应的光子晶体波导透射特性 的动态调制1 2 蚴l ；2 0 0 6 年，复旦大学的博士在他的研究中提到了磁光可调光子晶体的原 理和可调性能做出了详细的分析：2 0 0 7 年法国的m r o u s e y 等人，对铌酸锂波导上的光 子晶体进行了带隙的电光动态调制i ：舯1 1 2 0 0 8 年j a n m i c h a e lb r o s i 研究了聚合物渗透 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 的硅基光子晶体波导的电光调制1 3 2 光子晶体光互连则是较为新颖的概念。2 0 0 3 年，r e s l u s h e r 提出了基于s o l 材料 的一维光子晶体应用于光互连的模型【矧最近几年，罗彻斯特大学的研究组在光子晶体 光互连的研究方面出了大量的研究成果【体”3 4 1 ，2 0 0 4 年，s m w e i s s 等研究了液晶渗透 的可调光子晶体在光互连中的应用1 1 5 l ；2 0 0 8 年，s e a n e a n d e r s o n 所在的等在( a d v a n c e s i no p t i c a lt e c h n o l o g i e s ) ) 发表了综述性文章，撰文描述了光子晶体慢光应用于光互连的 技术优势，给出了光子晶体波导应用于光互连的模型和当前还面临的技术挑战【1 4 l ；同年， 又在o s a 期刊上发表文章，给出了解决光子晶体慢光马赫曾德尔电光调制器带宽限制 的方案1 3 4 j 。 总之，对光子晶体慢光的研究还处于理论和实验阶段，基于光子晶体的全光网络期 间还未能在实际的光通信中得到应用。对于光子晶体慢光光缓存的大多研究均处于理论 研究阶段，光子晶体在光互连中的应用更是刚刚起步。因此，对光子晶体及其慢光特性 进行分析并探讨其慢光传输特性及其在未来光网络中的应用，具有重要的意义。 1 4 论文的主要工作 本论文研究了光子晶体波导的慢光特性，并重点讨论了光子晶体慢光传输特性的外 部动态调制以及光子晶体慢光在未来光互连中的应用。主要工作和创新点包括以下几部 分内容： 第一、针对可控光延迟和光存储的应用需求，研究了光子晶体波导中慢光传输的外 部动态调制。将具有高电光系数和瞬态的电光响应时间的聚合物材料引入光予晶体波导 结构的设计，用平面波展开法仿真表明该波导结构带隙中存在单一的t e 导模，导模带 边处的群速度可达1 0 - 2 c 。利用基底聚合物材料的高非线性特性和光子晶体慢光所引入的 局域场效应，分析了得出该波导可在低调制电压的条件下实现对慢光导模的大范围动态 调制。考虑我们所设计的p c w 的结构，数值分析表明，在外加调制电压为8 0 v 时，导 模带边波长的移动幅度达8 0 8 姗；慢光导模的移动随调制电压的变化基本呈线性关系， 且调制的灵敏度约为l n m v 。这种线性的外部动态调制基本可满足全光网络对慢光光缓 存的需求。 第二、设计了新型的六角晶格耦合腔阵列光子晶体波导结构，该结构在全带隙方向 均有非常平坦的导模和低的群速度，而且全带隙方向的导通也可以很容易实现耦合，具 有很好的慢光传输特性基于耦合腔阵列光子晶体结构，分析了其带隙特性、群速度特 性、透射特性等，之后重点讨论了慢光传输的动态控制，全面分析了慢光导模的选频滤 波，同一导模传输的开关控制，同一波长的光的群速度调制以及光子晶体波导结构设定 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 之后光经过该结构的延迟时间的动态控制等。 第三、研究了光子晶体慢光在未来光互连中的潜在应用，设计了可以实现很高带宽 的铌酸锂基底的马赫曾德尔电光调制器。研究给出了调制器的结构设计，并对光子晶体 结构进行优化设计，使得光波可传输在低群速度低色散低损耗的最优传输区域。并采用 两种思路分析各项参数：半波电压固定在0 7 5 v ；将调制带宽设置到1 0 0 g h z 。通过仿真 和数值分析，所设计的电光调制器尺寸紧凑，各项参数均具有相对优化的值。对于基于 光子晶体的光互连和集成光路的实现都提供了很好的理论参考。 综上所述，论文的选题和研究内容均关注当前的研究热点，并得出了具有一定创新 性的研究成果，为光子晶体应用于光延迟、光缓存和光互连的实现提供一定的理论指导。 北京邮电大学硕士学位论文 第一幸绪论 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章光子晶体及光子晶体波导慢光概述 第二章光子晶体及光子晶体波导慢光概述 自1 9 8 7 年光子晶体的概念提出以来1 4 - + q ，经过二十多年的发展，光子晶体这一领域 各关键技术的研究都取得了很大进展，为研究光子晶体慢光以及光子晶体光缓存结构提 供了基础。本章将介绍光子晶体的基本特性、应用研究以及理论分析方法，阐述慢光的 概念和光子晶体慢光的原理，并对实现动态调制的方法进行分析对比，为后续章节的研 究打下理论基础。 2 1 光子晶体概述 2 1 1 光子晶体的基本概念 光子晶体俾c ：p h o t o n i cc r y s t a l s ) 是2 0 世纪8 0 年代末提出的新概念和新材料。1 9 8 7 年5 月，美国贝尔实验室的e y a b l o n o v i t c h l 4 1 在研究抑制自发辐射时，提出了这一概念， 同年7 月，s j o l l i l 【5 】在讨论周期性介电材料的局域时也独立地提出了同一概念。光子晶 体概念的提出向人们展示了一种新的控制光子的机制，它完全不同于以往利用全反射来 引导光传输，而是利用光子能带来控制光子流，给光作为信息载体的光通信带来了新的 元素和活力。 从材料结构上看，光子晶体是一种光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制 作的微结构材料。在半导体中，原子点阵形成周期性势场，电子在其中传播时，由于电 子波受到周期势场的布拉格散射，而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波 的能量如果落在带隙内，传播被禁止。对于光波，在光子晶体中传播就会受到周期性介 电材料的调制，在介质材料表面发生布拉格散射而形成能带结构，这种能带结构叫做光 子能带( p h o t o n i cb a n d ) 。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙( p b g ：p h o t o n i cb a n d g a p ) 。光子带隙似于半导体中的禁带，在完整的光子晶体全角度完全带隙中，光波在各 个方向的传播完全被禁止。 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。一维 光子晶体指介质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，如图 2 1 ( a ) 所示。将固定厚度的两种不同折射率介质薄膜交替排列就可构成一维光子晶体。 相对而言，一维光子晶体在结构上最为简单，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的结构，而在第三个方向上均 匀排布，如图2 1 ( b ) q a 所示的周期排列的光子晶体结构。二维光子晶体的制备比三维要 相对容易得多，而且在二维光子晶体很容易引入缺陷，能更好的控制光的传输。二维光 子晶体由于这些特点，已成为当前光子晶体研究的热点。 北京邮电大学硕士学位论文第二章光子晶体及光子晶体波导慢光概述 三维方向上都做周期性变化的结构称为三维光子晶体，如图2 1 ( c ) 示。在三维光子 晶体中，有可能出现全方位的光子带隙，即落在带隙中的光在任何方向都被禁止传播。 这一特性具有极其重要的应用前景。不过三维光子晶体的制备相对来说比较复杂，对材 料和设计加工都有很高的要求，从而限制了三维光子晶体的应用。 i - d 2 - d3 - d 回回澎 ( a )巾)( c ) 图2 - 1 一维二维三维光子晶体结构示意图 自然界也有光子晶体结构，如色彩斑斓的帝王蝴蝶翅膀、蛋白石、澳洲海鼠等等。 图2 2 是一些自然界中光子晶体的例子。以帝王蝴蝶翅膀为例，研究发现构筑这种光子 晶体的材料是一种类似于纤维素的角质蛋白质。蝴蝶翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上 排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果。当光与光子晶体所产生的夹角改变时， 会使光子晶体反正不同频率的光。 圈圆圈 b u t t e r f l yo v a a 潮囵 姒奴鼬誓笨警：j彩。；谬 麟_ 图2 - 2自然界中的光子晶体结构 2 1 2 光子晶体的基本特性 光子晶体作为一种全新的人工微结构材料，具有新颖特殊的结构，拥有许多新奇的 特性，并且随着人们研究的深入，出现了许多新现象，为光信息处理提出许多新的方法。 光子晶体最基本的特性就是具有光子带隙i 矧，频率落在带隙中的电磁波是被禁止传 播的，因为带隙中没有任何光子态光子晶体带隙结构的产生与半导体中能带的形成类 似，可以理解为：将光子晶体中周期性排布的不同材料的折射率看作折射率势场，将折 北京邮电大学硕士学位论文 第二章光子晶体及光子晶体波导慢光概述 射率的周期性变化看作平均折射率的微扰，这种微扰的作用使光波的模式和频率发生改 变，在某些位置频率取值发生突变，诎曲线断开，形成频率的带和带隙。而且，组成 光子晶体的介质材料折射率差越大，形成的光子带隙也就越宽。在光子带隙即禁带内没 有光子能量状态存在，电磁波不能传播。如图2 3 所示，灰色区域所示为光子晶体禁带， 所对应的透射率为1 0 r 6 量级，电磁波在禁带对应的区域基本不能通过。光子带隙概念的 提出也为人们重新认识物理世界提供了新的视野，一直被认为的不可控制的自发辐射理 论在光子晶体出现后被彻底改变，光子晶体带隙内的光子态密度为零。这一结论为一直 困扰着低阈值半导体激光器的自发辐射的解决，提供了有力的解决手段。 f a 、弋 。堇 。 - 。 ， 。 o 或拿 o 且足够大时，由式 口口0 3 ( 2 3 ) 可知，匕 ，局域场因子的值大于1 。由图3 - 6 所示的导模 传输的群速度可得到带隙内局域场因子，随归一化频率的变化关系如图3 - 7 所示： 北京邮电大学硕士学位论文第三章线缺陷光子晶体波导中慢光传输的动态调制 图3 - 7 带隙内的局域场因子 可以看出，由于导模在聚合物光子晶体中的群速度的降低，局域场因子的值急剧增 大，在导模带边附近的平坦的慢光区域，群速度的平均值为0 0 4 c ，由式( 5 ) 计算得出 芦3 9 7 。图3 8 对比分析了在不同调制电压下p c w 基底材料折射率与整体聚苯乙烯材料 折射率的变化。可以看出，在p c w 可获得的折射率的变化为整体聚苯乙烯材料的5 0 - 8 0 倍，光子晶体中慢光传输引起的电磁局域作用极大地增强了电光效应。 图3 - 8 材料折射率随外加电压的变化规律 考虑p c w 的结构设计，取如下参数：e - 6 枷，懒，- 1 5 9 ，- 8 0 p r o v ，分析外 部调制特性如下：在不同外加调制电压下，分析得到p c w 的能带结构如图3 - 9 所示。 北京邮电大学硕士学位论文第三章线缺陷光子晶体波导中慢光传榆的动态调制 图3 - 9 外加调制电压时导模带隙移动特性 可以看出，随着# l - ：j n 电压的增加，导模带边的归一化频率明显地向高频方向移动。 在调制电压u - - o v , 2 0 职5 0 取8 0 v 时，导模带边的归一化频率分别为0 4 5 6 4 、0 4 6 2 5 、 0 4 7 0 9 、0 4 8 1 8 ，各自对应的导模带边的波长分别为1 5 3 3 7 n m 、1 5 1 3 5 n m 、1 4 8 6 5 n