光子晶体全光二极管的研究

发布时间：2017-09-14 13:41

  本文关键词：光子晶体全光二极管的研究

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【摘要】：近年来,光子晶体成为国际范围内一种新型的人工晶体,它凭借其特有的无可比拟的优越性以及广阔的应用前景,吸引了越来越多研究者们的关注。本文针对二维光子晶体的光子禁带、光子局域、非线性Kerr效应以及光学双稳态进行了研究,并重点研究把这些特性应用到全光二极管,从而实现高透过率、高对比度以及高带宽的全光二极管的目标,本文的具体内容以及研究成果包括以下几个方面:首先,我们简要介绍了光子晶体的概念、光子晶体分类以及光子晶体的主要制作方法。其次,我们从光子晶体的结构特点出发,利用麦克斯韦方程组推导出符合光子晶体的电磁场表达式,然后介绍了光子晶体带隙的一些计算方法,其中重点介绍了本文用到的时域有限差分法(FDTD),并且讨论了Yee氏网格、数值稳定性条件和边界条件。接着,我们通过引入合适的光子晶体直接耦合腔C1与光子晶体侧边耦合腔C2,通过调控这二者之间的距离,形成Fano型透射谱结构;然后对这两个微腔引入Kerr非线性,再对此形成的全光二极管结构用时域有限差分法进行仿真模拟并进行结果分析,我们的研究表明,仅利用单信号光是很难实现高正向透过率、高对比度以及较大工作带宽的要求(其最高正向透射率仅为13%、对比度仅为8)。最后,为克服此困难,我们提出了一种新的方法:在外加超短脉冲泵浦光的协助下,利用非线性光学双稳态效应对两个微腔的透射和反射状态进行精细调控,从而在较大的工作带宽内实现较高的正向透过率和对比度,并对其原理进行了阐述。利用这种方法,我们提出了两种实现方案:(1)对上述的非线性光子晶体全光二极管侧边加入合适功率的超短脉冲泵浦,实现了反向高透过率(65.676%)、正向低透过率(0.139%)(左低右高)的光子晶体全光二极管,其对比度可达到472;(2)利用两束独立的不同功率的超短脉冲泵浦分别对直接耦合微腔C1和侧边耦合微腔C2进行泵浦,我们发现:(a)信号光功率Pin=0.005 W时,当把两个超短脉冲泵浦功率分别调至为18 W和8 W,可以在较宽的工作带宽内(0.44 nm,是现已报道的数十倍)实现信号光的正向高透过率(可达88%,比现有的要高出18%左右)以及较高的正反向传输对比度(达到83);(b)信号光功率Pin=0.005 W时,当把两个超短脉冲泵浦功率分别调至为20 W和9 W,可以在较宽的工作带宽内(0.44 nm,是现已报道的数十倍)实现信号光的反向高透过率(可达90%,比现有的要高出20%左右)以及较高的正反向传输对比度(达到75)。这些方法和成果在未来光通信和光子计算中具有重要的应用前景。
【关键词】：全光二极管 光子晶体 光学双稳态 时域有限差分法
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O734
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 光子晶体简介11-16
• 1.1.1 光子晶体概念11-12
• 1.1.2 光子晶体分类12-13
• 1.1.3 光子晶体制作方法13-16
• 1.2 全光二极管的国内外研究现状16-17
• 1.3 本论文的主要内容17-19
• 第二章 光子晶体的主要计算方式19-27
• 2.1 光子晶体的电磁理论基础19-20
• 2.2 平面波展开方法20
• 2.3 传输矩阵法20-21
• 2.4 时域有限差分法21-25
• 2.4.1 电磁场麦克斯韦方程组21-22
• 2.4.2 Yee氏网格22-23
• 2.4.3 二维情况下的时域有限差分法（FDTD）23-24
• 2.4.4 有限差分法（FDTD）的稳定性条件24-25
• 2.4.5 时域有限差分法（FDTD）的吸收边界条件25
• 2.5 光子晶体的主要数值仿真软件25-26
• 2.5.1 Rsoft软件25
• 2.5.2 其他软件25-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第三章 光子晶体波导、微腔及其耦合方式27-38
• 3.1 引言27-29
• 3.2 光子晶体结构参数29-30
• 3.3 光子晶体波导30-32
• 3.4 光子晶体微腔及其与波导的耦合模式32-36
• 3.4.1 光子晶体直接耦合腔C132-34
• 3.4.2 光子晶体侧边耦合腔C234-36
• 3.5 本章小结36-38
• 第四章 非线性全光二极管的设计38-45
• 4.1 引言38
• 4.2 全光二极管结构及线性情况下的透射谱38-41
• 4.3 全光二极管原理以及非线性情况下的透射谱41-44
• 4.4 本章小结44-45
• 第五章 双稳态全光二极管的研究45-53
• 5.1 引言45
• 5.2 侧边脉冲泵浦下信号光的非互易传输特性研究45-47
• 5.3 腔内双脉冲泵浦下信号光的非互易传输特性研究47-51
• 5.3.1 左高右低的全光二极管47-49
• 5.3.2 右高左低的全光二极管49-51
• 5.4 本章小结51-53
• 第六章 总结与展望53-55
• 参考文献55-61
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果61-62
• 致谢62-63
• 附件63

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7 张s，

本文编号：850346