二维光子晶体微腔特性分析及应用研究

发布时间：2020-04-11 17:35

【摘要】：随着电子信息技术快速发展,人们对集成电路微型化、信息传输效率和信息处理速度都有了很高的要求。但是受电子自身的影响,半导体器件在微型化的过程中,性能上出现了一定的局限,致使能量损耗过大,信息传输过慢。为了寻求突破,光信息技术的研究进入了人类的视野。光子晶体作为一种新型的光学材料,在制成光学器件时,具有高集成、低功耗和高精度等优点。本文以二维光子晶体微腔为研究对象,用平面波展开法和时域有限差分法分析光子晶体和光子晶体微腔的带隙特性、光场分布特性和光局域特性。以此为出发点,研究了二维光子晶体波导与微腔的耦合特性与控光原理。在此基础上,结合磁光子晶体磁导率随外加磁场变化而改变的特性以及马赫-曾德尔干涉仪的光传输特性,设计出了具有滤波功能和光开关功能的THz滤波器及具有三个逻辑功能的全光逻辑门。具体如下:(1)二维光子晶体微腔与波导控光特性的研究。为了研究光子晶体波导与微腔的控光特性,本文首先分析了晶格结构、填充比和介电常数对二维光子晶体带隙的影响。然后,在三角平板空气孔二维光子晶体的基础上,设计出最基本的微腔结构,并分析微腔中心空气孔半径和介质板介电常数对微腔性能的影响。结果表明,在介电常数为11.4,缺陷中心无空气孔时,微腔的品质因子Q为3364,场强最大,微腔性能最好。最后,分析了二维光子晶体波导的控光特性,并在耦合模理论的基础上,详细的推导了二维光子晶体波导和微腔的耦合特性及控光原理,为本文后续滤波器和逻辑门的设计提供了基础和前提。(2)二维光子晶体THz滤波器的设计与性能分析。先对磁性材料磁导率受外界磁场的影响进行了分析,对磁光子晶体在不同磁场大小时的带隙进行了计算,得出在不同磁场强度时磁光子晶体带隙的变化规律。接着,将特定介质柱半径的磁光子晶体引入两个不同结构的微腔中,设计出两个THz滤波器结构,分析THz滤波器的滤波特性,并研究耦合介质柱半径对滤波器性能的影响。最后,对两个THz滤波器结构进行组合设计,得到一个多通道二维光子晶体THz滤波器。对该滤波器性能进行分析,结果表明,不加磁场时,滤波器实现波长为83.33um和92.59um电磁波的滤波功能,透射率分别为0.91和0.89,且信道隔离度高,插入损耗小;加磁场时,波长为83.33um和92.59um的电磁波在滤波器输出端口的透过率仅为0.15和0.14,实现了光开关功能,且关断效果明显,响应时间短。(3)全光逻辑门的设计与性能分析。本文分析了马赫-曾德尔干涉仪的控光特性及传感原理,并在此基础上分析了马赫-曾德尔干涉仪与微环谐振腔的耦合关系。利用该原理设计出了基于二维光子晶体马赫-增德尔微腔的全光逻辑门。通过调节控制端电磁波的输入,实现不同的逻辑功能。结果表明,逻辑门可以实现的逻辑功能有:或、同或和异或逻辑,并且各个逻辑门有高的消光比,分别为31.802dB、25.670dB和27.701dB,且逻辑门的响应时间短、尺寸小,响应时间仅为0.151ps。
【图文】：

图 1.6 光子晶体压力传感器腔在光子晶体激光器中的应用也是近几年的研究热点l Laser, PCL)是微型激光器的一种重要构成形式，具有一具有结构尺寸灵活且易于集成，这样的优势条件使得 P速的发展[33-38]。图 1.7 为 1999 年美国加州理工学院谢温室下工作且正常运转的 1550nm 的光子晶体激光器。

(c)波长为 1.503图 3.16 波导与微腔侧边耦合时电场稳态分布维光子晶体的晶格结构、填充比和介电常数对的基本特性。以基本微腔结构为研究对象，通研究这些参数对微腔性能的影响。最后完成了模理论的基础上对二维光子晶体波导和微腔的逻辑门的设计提供了理论基础。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN713;O734

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