一种具有超大自由光谱范围的光子晶体纳米束微腔设计及其应用研究
发布时间：2020-06-12 07:34
【摘要】：随着一系列新型技术的发展,例如移动互联网,人工智能,云计算,大数据,量子通信等,人类社会又迎来了一次新的信息技术革命,新型的通信系统(例如5G系统)追求更高的用户体验速率,更大带宽,以及更低的能耗成本等,在此情况下,曾经极大改变人类社会的电子技术与集成电路的发展遇到瓶颈,人们急需探索一种新的技术来满足现代社会发展的需要,因此,人们提出利用光子集成电路技术来替代电子集成电路实现信息的传输、处理和存储。随着纳米技术和硅加工技术的成熟,基于硅基材料的光子晶体成为实现光子集成电路的一种理想材料。各种不同功能的光子晶体光器件不断地被论证和提出,其中,一维光子晶体纳米束微腔结构具有超高的Q值,超低的模式体积,超紧凑的尺寸,可复用,可集成度高以及它本身固有的优势易于与波导耦合,在增强光与物质相互作用方面有很大的优势。而且相比于二维光子晶体平板,一维光子晶体纳米束微腔结构尺寸更小,制造更简单,在集成复用上也有更大的优势,从而吸引了越来越多研究者的兴趣。本文主要以一维光子晶体纳米束微腔为研究对象,以探讨一维光子晶体纳米束微腔的控光特性为研究手段,重点针对目前一维光子晶体纳米束微腔自由光谱范围(FSR)过窄不利于超紧凑的集成复用的问题,利用三维时域有限差分法,研究提出了一种提升一维光子晶体纳米束微腔性能参数(包括Q值以及自由光谱范围FSR)的新方法,在此基础上,进一步分析了具有超大自由光谱范围的一维光子晶体纳米束微腔在片上集成的密集传感复用和密集波分复用方面的实现与应用,具体包括以下内容:1)具有超大自由光谱范围的一维光子晶体纳米束微腔设计和性能分析。详细研究了提高其Q值和自由光谱范围的新方法,利用三维时域有限差分法进行数值模拟计算,研究结果表明该一维光子晶体纳米束微腔的Q值超过105,自由光谱范围最大可达197nm,与目前同类型的一维光子晶体纳米束微腔相比,FSR提高了一个数量级,并且结构设计简单灵活,为后续实现超紧凑的片上集成的密集传感复用和密集波分复用奠定了坚实的基础。2)超紧凑型光功率分束器和传感器阵列结构的研究和性能分析。利用三维时域有限差分法进行数值模拟计算,研究结果表明所设计的光功率分束器的超额损失EL=1.38dB,功率均匀度UNIF=0.62dB,与目前已知的光功率分束器相比,性能相当,但是结构更加简单灵活,尺寸仅为15um*40um*0.22um。在此基础上,研究设计了基于一维光子晶体纳米束微腔的传感器阵列结构。研究结果表明该结构的折射率灵敏度分别为 S]=170.6nm/RIU,S2=152.7nm/RIU,S3=138.5nm/RIU,S4=128.1nm/RIU,S5=120.5nm/RIU,整个结构的尺寸仅为 7um*65um,与目前基于二维光子晶体平板的传感器阵列结构相比,尺寸降低了三个数量级,而折射率灵敏度和Q值没有任何影响,因此,该研究将为未来片上集成的传感复用领域的研究与应用提供有力的参考依据。3)基于一维光子晶体纳米束微腔的密集波分解复用器的研究和性能分析。利用三维时域有限差分法进行数值模拟计算,研究结果表明该结构的平均信道间隔为115GHz(～0.7nm),单个解复用通道的尺寸为22.5um2,与基于二维光子晶体微腔的波分解复用器件相比,尺寸降低了 5倍,信道间隔降低了 2倍,并且通过提高微腔的Q值从根本上抑制了信道串扰。在此基础上,进一步从理论上研究分析,最终实现了 100通道的密集波分解复用功能,平均信道间隔为100GHz,这为未来一维光子晶体纳米束微腔结构在密集波分复用系统中的研究和应用提供有力的参考依据。
【图文】：
制光子的目的。根据空间中不同折射率材料“周期性”的不同，光子晶体可以分逡逑为一维光子晶体（１邋Ｄ－ＰｈＣ邋）、二维光子晶体（２Ｄ－ＰｈＣ）和三维光子晶体（３邋Ｄ－ＰｈＣ），逡逑其结构模型图如图１－１所示。逡逑１－Ｄ逦２－Ｄ逦３－Ｄ逡逑ｎ邋：、：：邋ｆ逡逑图１－１邋一}庾泳濉⒍庾泳逵肴庾泳褰峁鼓Ｐ褪疽馔煎义希保玻插濉庾泳迥擅资⑶坏难芯肯肿醇耙庖邋义显诠サ募甘曛校庾泳宓难芯咳〉昧舜罅康某晒⒄故仆芬恢辈患酰义衔蘼凼抢砺垩芯炕故鞘笛橛τ枚嘉诵硇矶喽嘌芯空叩难芯啃巳ぁ８髦指餮咤义希插义
本文编号：2709208
【图文】：
制光子的目的。根据空间中不同折射率材料“周期性”的不同，光子晶体可以分逡逑为一维光子晶体（１邋Ｄ－ＰｈＣ邋）、二维光子晶体（２Ｄ－ＰｈＣ）和三维光子晶体（３邋Ｄ－ＰｈＣ），逡逑其结构模型图如图１－１所示。逡逑１－Ｄ逦２－Ｄ逦３－Ｄ逡逑ｎ邋：、：：邋ｆ逡逑图１－１邋一}庾泳濉⒍庾泳逵肴庾泳褰峁鼓Ｐ褪疽馔煎义希保玻插濉庾泳迥擅资⑶坏难芯肯肿醇耙庖邋义显诠サ募甘曛校庾泳宓难芯咳〉昧舜罅康某晒⒄故仆芬恢辈患酰义衔蘼凼抢砺垩芯炕故鞘笛橛τ枚嘉诵硇矶喽嘌芯空叩难芯啃巳ぁ８髦指餮咤义希插义
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