（光学专业论文）新型二维光子晶体微环的研究及应用.pdf

福建师范大学白继博硕士学位论文 操作波长且无需考虑引入非线性材料就能分别实现或非逻辑门和非逻辑门的功能。 对于操作波长1 5 5 0 n m ，有望对下一代硅基材料的全光逻辑光路、超高速信号处理 和高容量全光网络的发展起到作用。 本文的创新点：本文将二维光子晶体的带隙理论和自准直效应的原理相结合， 设计出了基于自准直效应及带隙混合效应的光子晶体微环结构：沿着f m 方向而非 传统f x 方向移除介质柱形成新型光子晶体微环，设计了新型二维光子晶体带隙效 应微环结构，其结构更小，光谱选择性更好，可用于超小型波分复用组件和高密度 光子集成；将新型二维光子晶体带隙效应微环和y 型缺陷波导结合，设计出了一种 基于新型二维光子晶体带隙效应微环的全光逻辑门的结构，本逻辑门与目前报道的 逻辑门相较具有：单个操作波长、无需引入非线性材料、单个微环，从而制造简单， 操作简便，结构简洁等优点。 关键词：光子晶体微环谐振器光通信时域有限差分平面波展开法自准直光逻 辑 i i f 囊 ， 摘要 a b s t r a c t i i i ii lli fl lr ll ll liii y 18 0 6 4 0 9 o p t i c a lr i n gr e s o n a t o r s ，o w i n gt ot h e i rh i g hs p e c t r a ls e l e c t i v i t ya n dl a r g ef l e es p e c t r a l r a n g e ( f s r ) ，h a v ea t t r a c t e dg r o w i n ga t t e n t i o ni naw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sl i k eo p t i c a l f i l t e r s ，s e n s o r s ，m o d u l a t o r s ，s w i t c h e s 勰w e l l 嬲n o n l i n e a rd e v i c e sf o rt h ec a v i t yq u a n t u m e l e c t r o d y n a m i c s t od a t e ，r i n gr e s o n a t o r sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yd e m o n s t r a t e di na v a r i e t yo fm a t e r i a l si n c l u d i n go p t i c a lf i b e r s , l o wi n d e xc o n t r a s td i e l e c t r i cm a t e r i a l s ( w i t h m a t e r i a li n d e xc o n t r a s ta n 2 ，e g ，s o i ) t y p i c a l l y , s y s t e m sb a s e do nt r a d i t i o n a lo p t i c a lf i b e rr i n g t e c h n o l o g ya r eb u l k ya n di n c o m p a t i b l ew i t hp h o t o n i ci n t e g r a t i o n o n eo ft h em o s t p r o m i s i n gd e s i g n si sp l a n a r - w a v e g u i d e - b a s e di n t e g r a t e dm i c r o r i n gr e s o n a t o r , a l s oc a l l e d w h i s p e r i n g - g a l l e r y - m o d e ( w g m ) m i c r o - r e s o n a t o r h o w e v e r , f o rw g mr i n gr e s o n a t o r s ， l i m i t e db yt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o nf r i r ) c o n f i n e m e n tp r i n c i p l e ，也e i rp r o p a g a t i o nl o s s e s i n c r e a s ee x p o n e n t i a l l yw i t ht h er e d u c t i o no fr i n gr a d i i t k sp r e s e n t sap r o b l e mo r “r o a d b l o c k ”t os c a l i n g w h i c hi np r a c t i c es e t sal o w e rl i m i to nt h er i n gr a d i u so faf e w m i c r o m e t e r s ( e g 3m ) a d d i t i o n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo fw g mr i n gr e s o n a t o r si sa l s o h i g h l ys e n s i t i v et ot h es u r f a c er o u g h n e s sa n dt h en a n o g a pb e t w e e nt h er i n gr e s o n a t o ra n d t h eb u sw a v e g u i d e w h i c hc r e a t e sa n o t h e rc h a l l e n g ei nm a n u f a c t u r i n g o nt h e0 也e l h a n d ， p h o t o n i cc r y s t a l s ( p c s ) o f f e rg r e a tp r o m i s ei nu l t r a - c o m p a c tp h o t o n i cc o m p o n e n t sm a i n l y d u et ot h e i ru n i q u ep r o p e r t i e si nc o n t r o l l i n gt h ef l o wo fl i g h ta to p t i c a lw a v e l e n g t hs c a l e ， w h i c hw i l ll c a dt oas i g n i f i c a n tr e d u c t i o ni nt h es i z ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n i nt h i st h e s i s ，w ep r o p o s e dan e w4 5 0p h o t o n l cc r y s t a lr i n gr e s o n a t o r ( p c r r ) b y c o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fs e l fc o l l i m a t i o na n db a n dg a po fp h o t o n i cc r y s t a l s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fp r o p o s e dc o n f i g u r a t i o n sw e r en u m e r i c a l l ya n a l y z e db yu s i n g p l a n e w a v ee x p a n s i o nm e t h o da n df i n i t e - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i nt e c h n i q u e t h e n ，an e w t w o d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a lm i c r o - r i n ga d d d r o pf i l t e r s ( a d f s ) a n dl o g i cg a t e s w e r ed e m o n s t r a t e da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fb e a mi n t e r f e r e n c e t h em a j o rr e s e a r c h a c h i e v e m e n t sh a v eb e e ns u m m a r i z e d 弱f o l l o w s ： 1 an e w2 dp c r rb a s e da d fh a sb e e ni n t r o d u c e db yc o m b i n gt h em e r i t so f p h o t o n i cc r y s t a lb a n dg a pa n di t ss e l fc o l l i m a t i o n i ti sn o tn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h em o d e c o n v e r s i o nd u r i n gt h ew h o l ed e s i g np r o c e s s ，w h i c hm a k et h es t r u c t u r er e l a t i v e l ys i m p l e a n dc o m p a c t a b l e 。 2 an e wp c r rw a sp r o v i d e db yr e m o v i n gt h el i n ed e f e c ta l o n gt h ef md i r e c t i o n i n s t e a do ft r a d i t i o n a l d i r e c t i o n w ec o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo fn e wp c r ra n d 仃a d i t i o n a lo n ei n c l u d i n gt r a n s m i s s i o ni n t e n s i t y , d r o p p e de 伍c i e n c ya n dq u a l i t yf a c t o re t c t h es p e c t r a li n f o r m a t i o na f f e c t e db yp h y s i c a lp a r a m e t e r sw a sn u m e r i c a l l ya n a l y z e d m o r et h a n8 3 0s p e c t r a lq u a l i t yf a c t o ra n d9 0 d r o p p e de 伍c i e n c ya t15 5 0 珈【i lc h a n n e l c a nb eo b t a i n e dw i t hl e s st h a n2 2 一岬r i n gr a d i u s t l l i sc a np o t e n t i a l l yo v e r c o m et h e c h a l l e n g eo ft r a d i t i o n a lm i c r o r i n gr e s o n a t o r s 3 n e wa 1 1 o p t i c a ln o ta n dn o r l o g i cg a t e sb a s e do n as i n g l eu l t r a - c o m p a c tp c r r h a v eb e e np r o p o s e d t h ep c r rw a sf o r m e db yr e m o v i n gt h el i n ed e f e c ta l o n g a f o r e m e n t i o n e df md i r e c t i o ni nas q u a r e - - p a t t e r nc y l i n d r i c a ls i l i c o n - r o dp h o t o n i cc r y s t a l i i i 。一 福建师范大学白继博硕士学位论文 s t r u c t u r e t h eb e h a v i o ro fp r o p o s e dl o g i cg a t e sa f f e c t e db yp h y s i c a lp a r a m e t e r sl i k et h e i n i t i a lp h a s eo fp r o b i n gs i g n a li sf i r s tq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e dw i t ht h et h e o r yo fb e a m i n t e r f e r e n c ea n dt h e nn u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h ed e f i n i t i o no fl o g i c 0 a n d 1 a l e a l s oi n t r o d u c e d n on o n l i n e a rm a t e r i a li sr e q u i r e d t h ew a v e l e n g t h so fi n p u ts i g n a la n d p r o b i n gs i g n a la l et h es m t l e f o rt h eo p e r a t i n gw a v e l e n g t ho f 15 5 0n m ，t h i sn e wd e v i c e p r o v i d e sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s f o ra l l - o p t i c a l l o g i c c i r c u i t sa n du l t r a - c o m p a c th i g h d e n s i t yp h o t o n i ci n t e g r a t i o n t h ek e yc o n t r i b u t i o n so ft h i sw o r ka l es u m m a r i z e d f i r s t l y , w ea p p l i e dt h ee f f e c to f p h o t o n i cc r y s t a lb a n dg a pa n di t ss e l fc o l l i m a t i o nt oo f f e ran e wp c r r ；s e c o n d l y , w e p r o v i d e da4 5 0p c r rb yr e m o v i n gt h el i n ed e f e c ta l o n gt h ef m d i r e c t i o n i tm a k e st h e c o n f i g u r a t i o nm u c hs m a l l e r a n d h i g hs p e c t r a ls e l e c t i v i t yw h i c ho f f e r sp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n sf o ru l t r a - c o m p a c th i g hd e n s i t yp h o t o n i ci n t e g r a t i o n ；f i n a l l y , w ep r o p o s e da n e wa l l o p t i c ll o g i cg a t e sb yc o m b i n i n gp c r ra n dy b r a n c h b yc o m p a r i n gw i t h r e p o r t e dw o r k s ，t h i sn e ws t r u c t u r eo n l yr e q u i r eas i n g l er i n g ，s i n g l eo p e r a t i n gw a v e l e n g t h a n d1 1 0a d d i t i o n a ln o n 1 i n e a rm a t e r i a l si n t r o d u c e d w h i c hm a k ei tr e l a t i v e l ye a s y , s i m p l e a n dc o m p a c t k e y w o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l ，r i n gr e s o n a t o r s ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，f i n i t e - d i f f e r e n c e t i m e d o m a i n ，p l a n e - w a v ee x p a n s i o nm e t h o d ，s e l fc o l l i m a t i o n ，o p t i c a ll o g i c i v = 、 j 0 1 k 魄 中文文摘 中文文摘 光子晶体由于很好的控光能力且可以缩放于各个工作波长，如从可见光到微波， 自1 9 8 7 年由s j o h n 和e y a b l o n o v i t e h 分别提出以来，已引起了人们的广泛关注。 它是一个富有前景的光集成平台，可以很好地运用于诸如光分束器、滤波器、调制 器、传感器和光开关等方面的设计及应用。此外，光环谐振器由于具有很高的光谱 选择性、大自由程f s r 等优点，已在上述光滤波器，光传感器，光调制器，光开关 以及腔动力学的非线性器件等方面具有大量的应用。迄今为止，环谐振器己成功地 在诸如光纤，低折射率对比度材料( 定义为an 2 ，如聚合物) ，高折射率对比度材 料( 定义为n 2 ，如s o d 中实现。一般说来，光纤环体积庞大难以实现光集成； 而具有潜在设计优势的则是基于平板波导技术的微型波导环，俗称耳语回廊模式 ( w g m ) 微环。然这种w g m 环受全内反射机理限制，其传播损耗会随着环尺寸 的减小而剧增，这无疑阻滞了器件的进一步小型化，实际应用中，环的半径极限一 般在3 1 a m 左右。此外，它们的性能还很敏感于表面粗超度以及环与公共波导通道 ( b u s ) 之间的间隙，这又给实际制造带来了另一个挑战。另一方面，光子晶体由 于其独特的可在波长尺度内控光能力给超小型光集成带来了希望。 本论文运用麻省理工学院开发的免费软件包m p b 和m e e p 进行数值计算，围 绕光子晶体的色散特性，利用平面波展开法和时域有限差分法设计并计算了基于超 小型光子晶体微环p c r r 的几种新型结构，在深入分析模拟结果的基础上系统地总 结了这些器件的光学特性，并探讨了其在光通讯和光集成中的潜在应用，为基于超 小型光子晶体微环p c r r 的光子集成芯片提供了新的设计思路和依据。本论文共分 六个部分，其主要内容如下： 绪论，主要介绍了光微环的研究现状及应用，首先，介绍了光微环在光纤、光 波导和光子晶体方面的发展趋势与各自应用的优缺点；其次，介绍了全光逻辑在半 导体光放大器和非线性光纤的研究现状和各自的应用的特点；最后，阐述了光子晶 体微环在全光逻辑方面研究和设计的潜在优势。 第一章，系统阐述了光子晶体的概念、类型、特征及应用，详细介绍了本文所 采用的研究光子晶体的两种主要方法：平面波展开法和时域有限差分法，利用平面 波展开法可以计算光子晶体的能带结构和缺陷模从而清楚地反映了结构的色散特 v 福建师范大学白继博硕士学位论文 性，从色散关系可以知道光子在光子晶体的传播行为，通过时域有限差分法可以数 值计算出电磁波在光子晶体内传播的时域演变过程。 第二章，本章将光子晶体带隙效应和自准直效应原理相结合，设计和计算了基 于自准直效应的新型光子晶体微环光分插滤波器，即将二维光子晶体的b u s 波导与 自准直环集成在一起构成一种新型的光分插滤波器。通过结构分析和数值模拟，讨 论了具有单环的光分插滤波器的归一化强度谱的特性，同时也详细地分析了具有串 联和并联双环时的光分插滤波器的强度谱变化关系，最终，获得了比传统光晶微环 具有更好光谱选择性的新型自准直效应微环的光分插滤波器。 第三章，本章利用光子带隙理论，沿着f m 方向而非传统f x 方向移除介质柱 形成新型光子晶体微环，即设计了新型4 5 。二维光子晶体带隙效应微环结构。通过 数值计算详细地分析了诸如环的形状、附加柱子、耦合长度、环外围周期数等物理 参数的改变以及光晶微环级联如环的串联、并行结构对其光谱特性如传输强度、下 路效率以及品质因子的影响，并比较了新型微环结构与传统微环结构在传输强度、 下路效率和品质因数等方面的异同，数值计算表明，这种新型微环的有效半径可以 小于2 2 9 i n ，对于1 5 5 0 n m 工作波长，其可以提供高于8 3 0 的品质因子和9 0 的下 路效率，与大小相仿的传统p c r r 相比，其光谱选择性更好。有趣的是，通过两个 环的级联，还可以同时实现信号的前向和后向下路。这些发现使得p c r r 无疑为克 服传统波导微环的局限性提供了可能。 第四章，本章在利用光的光束干涉理论基础上，提出了将光子晶体微环与y 型 波导相结合的新型光子晶体微环逻辑门，即一种基于4 5 。光晶微环全光逻辑门的结 构，通过数值计算深入地分析了诸如环的附加柱子的半径、环外围周期数以及控制 端光源的初相位等物理参数的改变对其输出端归一化强度谱的影响，同时完成了对 逻辑“1 ”和逻辑“0 定义，该结构仅需要一个光子晶体微环和单个操作波长且无 需考虑引入非线性材料就能分别实现或非逻辑门和非逻辑门的功能。对于操作波长 1 5 5 0 n m ，有望对下一代硅基材料的全光逻辑光路、超高速信号处理和高容量全光网 络的发展起到作用。 第五章，总结概括本文的主要工作及意义，指出一些要待验证的想法以及接下 来需要继续进行的工作。 v i 0 i p k ， t 罐 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i i 中文文摘v 绪论二1 一 第一章光子晶体的理论及数值分析方法一9 一 第一节光子晶体的简介一9 一 第二节光子晶体数值分析的方法一1 1 一 第三节小结一2 0 一 第二章二维光子晶体自准直效应微环特性的研究一2 3 一 第一节引言一2 3 一 第二节基于4 5 。二维光子晶体自准直效应微环结构的设计一2 4 一 第三节结构分析和数值模拟一2 5 一 第四节结论一2 9 一 第三章二维光子晶体带隙效应微环特性的研究一3 1 一 第一节引言一3 l 一 第二节基于4 5 。二维光子晶体带隙效应微环结构的设计一3 l 一 第三节结构分析和数值模拟一3 3 一 第四节结论一3 9 一 第四章二维光予晶体微环逻辑门的设计及应用一4 l 一 第一节引言一4 1 一 第二节基于4 5 。光晶微环全光逻辑结构的设计一4 1 一 第三节全光或非逻辑门和非逻辑门功能的实现一4 7 一 第四节结论一5 1 一 第五章结论一5 3 一 参考文献一5 5 一 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果一6 1 一 致谢一6 3 一 个人简历一6 5 一 v i i 福建师范大学白继博硕士学位论文 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明一6 7 一 v i k 铂 绪论 绪论 人类自从进入2 0 世纪9 0 年代以来，就进入了一个以互联网为媒介的信息爆炸的 时代，网络通信也正在从过去以单一的以语音业务为主要处理对象的电网络转变到 了现在以信息数据业务为主要处理对象的电光网络，未来还将继续向全光网络迈进， 因而信息数据的处理业务将按指数规律持续增长。由于，当前网络信息运行的方式 依据信息的载体可分为两类：传输信息数据的部分和处理信息数据的部分，信息数 据的传输是以光子作为载体来实现的，其传输速度为光速，比较成熟的传输器件为 光纤和波导，这一部分为真正意义上的光网络；而处理信息数据的部分是以电子作 为载体进行的，数据处理的速度由电子的运动速度决定，运行的器件则由具有电子 能级带隙的材料而构成，这一部分即为电网络。这样，光电网络节点的信息交换就 必然要通过光电光转换的方式来进行，所以，当前信息网络的技术水平还比较低。 然而，随着时代的发展和社会的进步，一方面，互联网的爆炸性增长必将要求信息 数据传输和处理的速度有一个巨大的提高，如果网络节点仍采用以电子作为信息载 体的处理方式，则必然面临“电子瓶颈的限制；另一方面，为了适应信息数据处 理器件的超小尺寸和超高集成的发展趋势，当前以电子作为信息载体所设计的处理 器件正在逐步逼近电子芯片集成尺寸的极限。幸运的是，人们正在积极研究取消传 统的以电子作为处理信息数据的载体，取而代之的是用光子作为信息处理的载体， 直接参与光信息的传输与交换，从而实现真正意义上的全光网络通信。 全光信息数据处理器件的研究和制作正在成为国际全光信息学术方向和全光 器件制造业的重点和热点。就光器件的选材方面来讲，有些研究和制作已经步入成 熟，如光纤和波导：有些则处于实验室阶段，如光子晶体；而有的还只是处于科学 家的初步设想阶段，如量子信息，等等。就光器件的功能方面来讲，有滤波器、功 率分束器、光开关等等。就光器件的内部的基本构成形状来讲，有y 型、t 型、l 型、 环型等等，近年来，材料有别、功能不同、形状各异的光信息处理器件已经被大量 文献所报道，并且有些已经被生产使用，而对于光器件的研制，无论是业已制造的、 还是正处于实验室研究阶段的，环型光器件因其形状改变灵活、大小缩放自由，应 用方便的特点：如它可以与波导相结合构成光分插滤波器、功率分束器、光开关等 功能器件，这些功能器件在光通信和信息数据处理领域有着巨大的市场空间，因而 环型光器件越来越引起了人们广泛的研究兴趣。并且，新型的超小环型谐振器更因 -。1。一 一 福建师范大学白继博硕士学位论文 其光谱选择性高、大自由程f s r 、尺寸更小、插入损耗和串扰低、且易集成等优点 更加成为国际科学家们关注和研究的热点。 第一节光微环的研究现状及应用 新型环型谐振器即光微环的研究和使用已经被大量的文献所报道，图0 1 给出 了两种最常见的光微环与线波导组合的结构图【1 圳，它们在光分插滤波器和光开关中 得到了使用，光波在路经光微环时要经过许多次反复的反馈振荡，那些处于微环谐 振频率区域的光波就会得到干涉增强，图0 2 是利用时域有限差分法模拟仿真的光微 环处的电磁场强度分布情况【1 1 。 2 5m i c r o n ? h e i g h t ( a ) ( b ) 图0 1 光微环与线波导组合的结构：( a ) 光分插结构( b ) 光全通结构 f i g 0 - 1t h e s t r u c t u r eo fo p t i c a lm i c r o - r i n ga n dl i n ew a v e g u i d ec o m b i n a t i o n ：( a ) o p t i c a lp l u gs t r u c t u r e ( b ) o p t i c a la l l - p a s ss t r u c t u r e 图0 2 光微环与线波导耦合时，光微环中的场得到加强 f i g 0 - 2o p t i c a lm i c r o - r i n gc o u p l e dw i t ht h el i n ew a v e g u i d e ，t h ef i e l di nt h eo p t i c a lm i c r o - r i n gh a s b e e ns t r e n g t h e n e d 当然这种光微环结构也可以用光纤或者光子晶体构造而成，并且光纤微环已进 绪论 入广泛的实用阶段，已经日趋成熟；光子晶体微环还处于实验室研究阶段，因而理 论上还需要进行深入的研究，实验上还需要不断地探索。 如前所述，当前光微环的研究和应用主要是基于光纤、光波导和光子晶体方向 的，并在线性或非线性的激光器、分束器、滤波器、传感器、调制器、光开关等器 件方面得到非常广泛的应用。就光纤方面的应用来讲，光纤环是光纤应用的一个基 础器件，科学家对光纤微环的应用都有深入细致的研究，s t o k e s 小组【3 】对光纤环自 由光谱范围、时间延迟作了分析； i o a n n i d i a s t4 】对光纤环的动态响应、相位偏移进 行了研究；u r g u h a r t t5 】对横向耦合光纤环谐振腔的输出光强、精细常数、峰值透过 率进行了分析。利用光纤环的动态响应、相位延迟可以制作传感器、光逻辑、光纤 陀螺和光相位延迟器等【6 。9 】；利用光纤环形谐振腔的谐振效应可以制作激光器、放大 器等【l o 。1 2 】；利用光纤延迟线与光纤耦合器联合形成的结构可以制作光纤滤波器、波 分复用器、分插复用器等【1 3 - 1 5 1 ；光纤环也可作为反射器对某一特定的波长形成全反 射【1 6 1 。尽管光纤环在光通信方面的应用广泛，但是它还存在许多缺点：动态响应低， 在对未来大综量的光信息数据处理时就显得速度极慢；光纤环的体积相对较大，十 分不利于未来光信息数据处理器件的高集成化；另外，随着光纤环的半径的减小， 光纤环的损耗将大大增强。 然而，光微环技术在平板波导的研究和应用方面则具有潜在的优势，每年与光 器件和光通信相关的国际会议妻n a c p 、e c o c 和o f c 等均有关于光波导微环应用的相 关报道，基于光波导微环的光谱特性来讲，主要是用于滤波器、传感器等方面【1 7 珈】； 基于光波导微环的相位特性来讲，主要是用于相位延迟器、色散补偿等方面【2 m 5 】： 基于光波导微环的谐振效应，它可以使微环中的光强大大增强，从而使光波导微环 中的非线性效应得到加强，所以主要用于激光器、调制器、光逻辑、光波长转换、 光波导反射镜和码型转换等方面 2 6 - 3 2 1 。随着光波导微环制造工艺水平的不断提高， 制作这些器件的材料可谓是种类繁多，如硅( s i ) 基；v 半导体和聚合物等材料 都可以制作光波导微环器件，与其它无机材料相比，有机聚合物因其电光系数高、 折射率易调整、响应时间短、传输损耗小、成模性能好等优良特性，已成为制作波导 光微环器件的理想材料 3 3 , 3 4 1 。其制作方法较多，如光漂白技术、反应离子刻蚀技术、 电子回旋共振刻蚀技术和激光刻蚀技术等【3 5 1 ，但是这些制作工艺都相对复杂，如反 应离子刻蚀技术是沉积二氧化硅( s i 0 2 ) 层，旋转抛涂光刻胶，在光刻胶上形成图案， 进一步沉积铬，清除光刻胶，分别采用电子束刻蚀s i 0 2 层和a m h 2 刻蚀l n g a a s p i n p 福建师范大学白继博硕士学位论文 层，最后清除铬和s i 0 2 3 6 】。所以光波导微环制作工艺复杂、工艺难度较大、结构太 大，并且受全内反射机理限制，其传播损耗会随着环尺寸的减小而剧增，这无疑阻 碍了器件的进一步小型化，另外，它们的性能还很敏感于表面粗超度以及环与公共 波导通道( b u s ) 之间的间隙，这又给实际制造带来了另一个挑战。 由于光予晶体对光的独特有效的控制作用，基于光子晶体环状谐振器的光学器 件也被大量的研究和报道，利用科学家对光子晶体环状谐振器的谐振效应，光谱特 性，相位延迟等性质所做的深入的研究【3 7 0 8 1 ，人们将光子晶体环状谐振器用于激光 器、滤波器、光插分复用器、光逻辑、传感器等方面。这些器件有的是基于光子晶 体平板波导混合型的环型谐振器的结构，如图0 3 ( a ) 【”】；有的是基于光子晶体定 向耦合器环的，如图0 3 ( b ) 4 0 , 4 】；有的是基于光子晶体自准直效应环的，如图0 3 ( c ) 4 2 , 4 3 。光子晶体平板波导混合型由于存在波导结构，对器件的小型化有了一定 的限制；定向耦合型由于耦合长度的长度直接影响了环型耦合器的光谱特性，这样 就限制了器件的进一步的小型化；而对于光子晶体自准直效应环来讲，由于其中利 用了光子晶体的自准直原理，会导致自准直以外区域的损耗增大从而降低了器件的 效率，也就是说，虽然光子晶体微环的性能较光纤微环和波导微环都优越，但是当 前这些关于光子晶体微环的研究都不尽完美，因此，最近人们提出了一种的超小型 m m ( a )( b )( c ) 图0 3 光子晶体环型谐振器：( a ) 光子晶体平板波导混合型环；( b ) 光子晶体定向耦合器环；( c ) 光子晶体自准直效应环。 f i g 0 - 3p h o t o n i ec r y s t a lr i n gr e s o n a t o r s ：( a ) p h o t o n i cc r y s t a ls l a bw a v e g u i d eh y b r i dr i n g ；( b ) p h o t o n i c c r y s t a ld i r e c t i o n a lc o u p l e rr i n g ；( c ) p h o t o n i cc r y s t a ls e l f - c o l l i m a t i n ge f f e c tr i n g 光子晶体微环谐振器( 光晶微环p c r r ) 3 7 , 3 8 1 ，这种光晶微环p c r r 不但拥有很高的 耦合效率、品质因素等光谱特性，而且更具有环尺寸的大小易缩放、整体结构紧凑、 模式耦合配置多样性等优点，这已经引起了人们的关注【“4 6 1 ，也为我们克服传统光 绪论 纤微环谐振器和光波导微环谐振器的技术瓶颈提供一个有效的解决途径，光晶微环 p c r r 有望对未来高效、高速、高集成信息数据处理的相关器件的研制起到促进作用。 第二节光逻辑的研究现状 光通信技术的高速发展，使得超高速光信息处理在光通信中占有至关重要的位 置，这就对通信系统的设备提出了更高的要求。光开关、光延时线、光交换器、光 波长转换器、光逻辑、光编码解码器和光存储器件等新型光无源器件是组建全光通 信的关键设备；在组建这些关键设备的众多元件当中，全光逻辑门是直接在光域上 实现各种逻辑操作，是超高速光信息处理技术中一个非常重要的基础元件，也是未 来全光计算、全光通信传输系统和集成光路所需的关键元件。全光逻辑门的应用广 泛，可以用于全光网络中的时钟提取、标签交换、信号再生、数据编码、奇偶校验、 光分组路由等等【4 7 4 8 1 ，是全光网络必不可少的组成部分；另外，全光逻辑门还是未 来实现光子计算机的基础，光子计算机是以光子作为主要信息载体，以光子系统作 为计算机主体，以光运算作为计算机运算方式的计算机，它依靠“与 、“或 、 “非”三种基本的逻辑门运算以及其它复合逻辑门器件来实现全光计算 4 9 , 5 0 。因此， 全光逻辑门的研究具有相当深远的意义，目前，国际国内大量的科研学者正在积极 从事全光逻辑门的相关研究。 对于全光逻辑门的研究，以其所使用的材料来讲，一般有两大类，一类是基于 半导体光放大器( s o a ) 的全光逻辑门器件；另一类是基于非线性光纤的全光逻辑 门器件。由于半导体光放大器具有结构小、功耗低、稳定性好，。响应时间短、工作 波长宽( 1 3 9 m 1 6 9 m ) 和良好的非线性等优点，因而基于半导体光放大器的全光逻 辑门器件在全光通信方面应用十分广泛，如基于s o a 的交叉增益调制x g m 效应实现 与或非( a n d n o r ) 门；基于多个s o a 同时实现多种全光逻辑门；基于半导体光纤 环形腔激光器( s f i 也) 实现全光与( a n d ) 门和或非( n o r ) 门：基于混合级联 马赫泽德干涉仪( m z i ) 实现全光异或( x o r ) 门；基于太赫兹光非对称解复用器 ( t o a d ) 实现与( a n d ) 门和异或( x o r ) 门；利用基于s o a 的m z i 实现与非( n a n d ) 门等等 5 3 】。由于非线性光纤的响应速度非常快( 约为几个飞秒) ，因而基于非线性光 纤的全光逻辑门的一个突出优点就是速度快，其应用广泛，如基于非线性光纤本身 非线性效应的全光逻辑门，1 9 8 8 年，t m o r i o k a 和m s a r u w a t a r i n 用保偏单模光纤的 克尔效应实现了快速的全光逻辑门；基于非线性光纤干涉仪的全光逻辑门，1 9 9 1 年， o。一一 福建师范大学白继博硕士学位论文 m j i n n oa n dt m a t s u m o t o 利用萨格纳克( s a g n a c ) ：p 涉仪即s a g n a c 环实现了与门、异或 门等【5 2 】基本逻辑操作。就目前光逻辑的研究现状来讲，虽然利用s o a 或者非线性光 纤，我们可以熟练的实现各种各样的全光逻辑器件，但是，基于未来的全光网络和 光子计算机的发展趋势考虑，这些现有的光逻辑器件还有一些不可避免的缺点，对 于s o a 逻辑门，s o a 本身的载流子回复时间较长，从而会引起输出端的脉冲展宽， 光信号的处理速度降低，并且s o a 工作时的自发辐射将不可避免地引入自发辐射噪 芦5 3 】，影响了s o a 逻辑门进一步的发展；而对于非线性光纤逻辑门来说，最大的缺 点在于光纤的使用导致了逻辑门的体积相对较大，结构复杂，难以集成 5 1 1 ，限制了 光纤逻辑门在全光网络的进一步发展。 光子晶体在控制光的运动和光学集成等方面具有独特的优势，基于光子晶体逻 辑门器件的研究已经屡有报道，光子晶体全光逻辑门器件的设计一般有以下几种： 基于非线性材料的非线性效应型的【5 3 , 5 4 】、基于光子晶体自准直效应型的【5 7 】、和基于 光子晶体多模干涉型的全光逻辑门，这些逻辑门器件具有传统光纤逻辑门与半导体 光放大器逻辑门所不具有的优点，如高集成、响应快、性能稳定等。但是，由于光 子晶体非线性效应型逻辑门是基于非线性材料的非线性效应，这就要求非线性效应 的逻辑门工作的功率较高，导致耗能较大；光子晶体自准直效应是因为处于自准直 频域的光能在光子晶体内实现无展宽传播，由于自准直频域太宽从而导致器件的q 值较低，再则，处于自准直频域外的光会使器件的损耗增大，从而降低了器件的效 率；光子晶体多模干涉型的逻辑门很容易出现误码，并且多模干涉型的逻辑门的q 值与开关速度及多模的频率带宽成反比，即q 值越高、开关速度越低、频率带宽越 窄。由前面的介绍已经知道，超小环型谐振器具有光谱选择性高、大自由程f s r 、 尺寸更小、插入损耗和串扰低、且易集成等优点，近年来，基于光子晶体超小型微 环( p c r r ) 3 7 , 3 8 】设计的全光逻辑门的报道越来越多，利用p c r r 为基本结构进行设 计和构造的全光逻辑门器件不但具有p c r r 本身的优点如耦合效率高、品质因素好、 稳定性强和模式耦合多样等优良的光谱性质，而且还具有大小容易缩放、形状改变 自由等优点【4 4 舶】以便于设计和制作出尺寸更小的器件，为适应未来信息处理器件高 集成的要求提供可能，因而，基于p c r r 全光逻辑门一经提出就迅速成为逻辑门研究 的热点，有望成为未来光网络和光子计算机中逻辑门运算的关键器件。 绪论 第三节本文主要的研究内容及安排 本论文运用麻省理工学院开发的免费软件包m p b 和m e e p 进行数值计算，围 绕光子晶体的色散特性，利用平面波展开法和时域有限差分法设计并计算了基于超 小型光子晶体微环p c r r 的几种新型结构，在深入分析模拟结果的基础上系统地总 结了这些器件的光学特性，并探讨了其在光通讯和光集成中的潜在应用，为基于超 小型光子晶体微环p c r r 的光子集成芯片提供了新的设计思路和依据。本论文共分 六个部分，其主要内容如下： 绪论，主要介绍了光微环的研