基于二维光子晶体逻辑门的全光加法器研究
发布时间：2022-01-20 23:03
随着互联网技术的快速发展,人们对信息容量和传输速度的要求不断提高,电子器件的性能逐渐面临瓶颈。与传统的电子技术相比,全光网络在信息的容量和数据传输速率等方面有更多的优势,利用光子代替电子,可以有效解决电子之间的相互干扰问题,提高器件的传输速率和抗干扰能力。光子晶体逻辑器件作为全光网络器件之一,因其传输损耗低、谐振谱窄、尺寸小、便于集成等优点,受到人们的重视和广泛研究,在新兴的集成光学和全光通信网络中具有潜在的应用前景。本文主要围绕二维光子晶体环形谐振腔与微腔的耦合特性,利用线性干涉原理,对光子晶体全光逻辑门和加法器的技术进行研究与分析,并对其结构进行优化,以减小元器件尺寸,提高器件性能。论文主要研究内容包括:（1）利用平面波展开法和时域有限差分法,研究分析了正方晶格结构的光子晶体能带结构,以及环形谐振腔和微腔的耦合特性及传输规律,并总结其影响规律;结果表明:当微腔外介质柱尺寸保持不变时,随着微腔内介质柱半径增大,环形腔和微腔的耦合谐振峰将向低频方向移动,保持微腔内介质柱半径不变,当外介质柱半径增大时,耦合谐振峰将向高频频方向移动。（2）利用环形谐振腔和微腔的耦合规律,通过控制微腔中心介...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一维(1D)、二维(2D)、三维(3D)光子晶体示意图
兰州交通大学硕士学位论文-5-三维光子晶体的禁带宽度要比其它两种更宽，从结构上也可以看出它的控制能力更强，所以制备三维光子晶体的过程比其他两种类型的光子晶体困难得多。根据光子晶体的填充形式不同，光子晶体可以分为介质柱型和空气孔型光子晶体。如图2.2(a)所示，介质柱型是在空气中填充周期性分布的高折射率的介质柱型材料形成，空间中介电常数在与介质柱垂直的方向上呈现周期分布的函数，而在与介质平行的方向上是不随空间位置变化的。因此，这种光子晶体在x-y平面上具有周期性，而在z轴方向上是连续不变的；如图2.2(b)所示，空气孔型光子晶体是通过在基板材料上按一定规律刻蚀出空气孔形成的光子晶体结构。因此材料排列不同时，折射率分布也不同，导致光子晶体的带隙分布情况不同。按照光子晶体的晶格结构不同，光子晶体可以分为三角晶格和正方形晶格结构光子晶体。(a)(b)图2.2光子晶体结构图(a)介质柱型(b)空气孔型由于光子晶体存在光子禁带特性，使得与谐振腔耦合频率相同的光波被限制禁止在光子晶体中传输，可以采用去掉介质柱或改变介质柱的半径大小的方式，在完整光子晶体中其中引入缺陷来行成环形谐振腔或波导，使得原来禁止传播的光信号又可以在波导内反射传播，这和传统的全内反射原理有着很大的区别。用其设计的光学逻辑器件具有传输效率高、响应速度快、体积小便与集成、损耗低等优势，因其制作工艺简单，易于集成等优点，具有很好的应用价值，因此在近些年来受到了多方的广泛关注，依据这些特性设计了许多应用价值很高的通信器件，如光开关[36-37]、光分束器[38-39]、光波分复用器[40-41]和光纤传感器[42-43]等逻辑器件。
兰州交通大学硕士学位论文-7-模式的光波又称为横磁模，是指在有电场的分量而没有磁场的分量，磁场方向与传播方向是垂直的。图2.3光子晶体带隙图图2.3为光子晶体的能带结构图，图中由各个点构成的曲线都是理想二维光子晶体的光子能带，其中Γ、X和M分别为布里渊区倒格空间的三个坐标。图中显示，在归一化频率0.284(a/λ)~0.421(a/λ)和0.722(a/λ)~0.746(a/λ)之间存在两条TE模式的禁带；在归一化频率0.818(a/λ)~0.831(a/λ)之间存在一条TM模式的禁带。其中，a为晶格常数，λ为波长。由于光子晶体在光子带隙中不具有光子态，因此频率落在光子带隙中的光波将被禁止在内而无法通过光子晶体。通常，禁带越宽，对入射光波的控制能力越强，设计的逻辑器件性能就越稳定，所以在图2.3所示的能带结构对应的器件参数中，应该选择频率处于0.284(a/λ)~0.421(a/λ)范围内的一条禁带，这样为后续器件结构参数的选择打下理论基矗决定光子晶体带隙结构的主要因索有组成光子晶体的介质之间的折射率差、高和低折射率的介质材料在晶格中所占的比率，即填充比，以及它们在空间的排列结构。一般，不同材料间的折射率差越大，带隙越宽，器件达到的性能也就越高。2.2.2光子局域光子局域化是光子晶体的另一个重要特性[47]。通过以去掉介质柱或改变介质柱的半径大小的方式，在完整光子晶体中的引入一些缺陷，这些缺陷会破坏光子晶体原来的周期性和对称性。这样，在光子晶体的禁带中将出现一些窄频带的局域模式，被称为缺陷
【参考文献】：
期刊论文
[1]光子晶体非线性效应全光开关研究[J]. 郭延,朱建峰,张含,冯云鹏,程灏波. 影像科学与光化学. 2020(01)
[2]新时期物联网发展中光通信技术的应用分析[J]. 张莉. 通讯世界. 2019(07)
[3]对称双缺陷对光子晶体光传输特性的调制[J]. 潘继环,苏安,赵宏斌,韦永相,高英俊. 红外与激光工程. 2019(S1)
[4]二维光子晶体全光逻辑门的设计与仿真[J]. 刘振,吴蓉,严清博,吴小所. 激光与光电子学进展. 2019(18)
[5]光通信技术研究现状及发展趋势[J]. 吕向东,梁雪瑞,喻千尘,马卫东. 电信科学. 2019(02)
[6]二维光子晶体全光异或门的设计及研究[J]. 张晓金,梁龙学,吴小所,韩根亮. 发光学报. 2018(12)
[7]光子晶体八通道波分复用器研究[J]. 吴蓉,刘振,严清博,吴小所. 激光与光电子学进展. 2019(09)
[8]光子晶体谐振腔的设计研究[J]. 龙涛. 激光杂志. 2018(03)
[9]一种高双折射负色散的缺陷型光子晶体光纤[J]. 廖昆,廖健飞,谢应茂,王形华,田华. 激光与光电子学进展. 2018(07)
[10]干涉型光子晶体光纤陀螺技术研究[J]. 杨远洪,杨福铃,陆林,李慧,李帅. 光学学报. 2018(03)
博士论文
[1]基于光子晶体的全光器件设计与研究[D]. 姜宇驰.南京航空航天大学 2017
[2]等离子体时域有限差分算法及其应用研究[D]. 刘崧.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]基于光子晶体缺陷结构的光通信器件的设计与研究[D]. 彭瑶.广西师范大学 2018
[2]基于二维光子晶体的全光逻辑门研究[D]. 王浩宇.哈尔滨师范大学 2015
[3]基于光子晶体的全光逻辑门研究[D]. 保俊杰.电子科技大学 2015
[4]液晶光子晶体谐振腔的可调特性研究[D]. 殷新星.赣南师范学院 2013
[5]光子晶体带隙时域有限差分方法计算[D]. 刘锴.北京工业大学 2005
[6]光子晶体中有限结构散射特性的研究[D]. 江涛.国防科学技术大学 2004
本文编号：3599681
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一维(1D)、二维(2D)、三维(3D)光子晶体示意图
兰州交通大学硕士学位论文-5-三维光子晶体的禁带宽度要比其它两种更宽，从结构上也可以看出它的控制能力更强，所以制备三维光子晶体的过程比其他两种类型的光子晶体困难得多。根据光子晶体的填充形式不同，光子晶体可以分为介质柱型和空气孔型光子晶体。如图2.2(a)所示，介质柱型是在空气中填充周期性分布的高折射率的介质柱型材料形成，空间中介电常数在与介质柱垂直的方向上呈现周期分布的函数，而在与介质平行的方向上是不随空间位置变化的。因此，这种光子晶体在x-y平面上具有周期性，而在z轴方向上是连续不变的；如图2.2(b)所示，空气孔型光子晶体是通过在基板材料上按一定规律刻蚀出空气孔形成的光子晶体结构。因此材料排列不同时，折射率分布也不同，导致光子晶体的带隙分布情况不同。按照光子晶体的晶格结构不同，光子晶体可以分为三角晶格和正方形晶格结构光子晶体。(a)(b)图2.2光子晶体结构图(a)介质柱型(b)空气孔型由于光子晶体存在光子禁带特性，使得与谐振腔耦合频率相同的光波被限制禁止在光子晶体中传输，可以采用去掉介质柱或改变介质柱的半径大小的方式，在完整光子晶体中其中引入缺陷来行成环形谐振腔或波导，使得原来禁止传播的光信号又可以在波导内反射传播，这和传统的全内反射原理有着很大的区别。用其设计的光学逻辑器件具有传输效率高、响应速度快、体积小便与集成、损耗低等优势，因其制作工艺简单，易于集成等优点，具有很好的应用价值，因此在近些年来受到了多方的广泛关注，依据这些特性设计了许多应用价值很高的通信器件，如光开关[36-37]、光分束器[38-39]、光波分复用器[40-41]和光纤传感器[42-43]等逻辑器件。
兰州交通大学硕士学位论文-7-模式的光波又称为横磁模，是指在有电场的分量而没有磁场的分量，磁场方向与传播方向是垂直的。图2.3光子晶体带隙图图2.3为光子晶体的能带结构图，图中由各个点构成的曲线都是理想二维光子晶体的光子能带，其中Γ、X和M分别为布里渊区倒格空间的三个坐标。图中显示，在归一化频率0.284(a/λ)~0.421(a/λ)和0.722(a/λ)~0.746(a/λ)之间存在两条TE模式的禁带；在归一化频率0.818(a/λ)~0.831(a/λ)之间存在一条TM模式的禁带。其中，a为晶格常数，λ为波长。由于光子晶体在光子带隙中不具有光子态，因此频率落在光子带隙中的光波将被禁止在内而无法通过光子晶体。通常，禁带越宽，对入射光波的控制能力越强，设计的逻辑器件性能就越稳定，所以在图2.3所示的能带结构对应的器件参数中，应该选择频率处于0.284(a/λ)~0.421(a/λ)范围内的一条禁带，这样为后续器件结构参数的选择打下理论基矗决定光子晶体带隙结构的主要因索有组成光子晶体的介质之间的折射率差、高和低折射率的介质材料在晶格中所占的比率，即填充比，以及它们在空间的排列结构。一般，不同材料间的折射率差越大，带隙越宽，器件达到的性能也就越高。2.2.2光子局域光子局域化是光子晶体的另一个重要特性[47]。通过以去掉介质柱或改变介质柱的半径大小的方式，在完整光子晶体中的引入一些缺陷，这些缺陷会破坏光子晶体原来的周期性和对称性。这样，在光子晶体的禁带中将出现一些窄频带的局域模式，被称为缺陷
【参考文献】：
期刊论文
[1]光子晶体非线性效应全光开关研究[J]. 郭延,朱建峰,张含,冯云鹏,程灏波. 影像科学与光化学. 2020(01)
[2]新时期物联网发展中光通信技术的应用分析[J]. 张莉. 通讯世界. 2019(07)
[3]对称双缺陷对光子晶体光传输特性的调制[J]. 潘继环,苏安,赵宏斌,韦永相,高英俊. 红外与激光工程. 2019(S1)
[4]二维光子晶体全光逻辑门的设计与仿真[J]. 刘振,吴蓉,严清博,吴小所. 激光与光电子学进展. 2019(18)
[5]光通信技术研究现状及发展趋势[J]. 吕向东,梁雪瑞,喻千尘,马卫东. 电信科学. 2019(02)
[6]二维光子晶体全光异或门的设计及研究[J]. 张晓金,梁龙学,吴小所,韩根亮. 发光学报. 2018(12)
[7]光子晶体八通道波分复用器研究[J]. 吴蓉,刘振,严清博,吴小所. 激光与光电子学进展. 2019(09)
[8]光子晶体谐振腔的设计研究[J]. 龙涛. 激光杂志. 2018(03)
[9]一种高双折射负色散的缺陷型光子晶体光纤[J]. 廖昆,廖健飞,谢应茂,王形华,田华. 激光与光电子学进展. 2018(07)
[10]干涉型光子晶体光纤陀螺技术研究[J]. 杨远洪,杨福铃,陆林,李慧,李帅. 光学学报. 2018(03)
博士论文
[1]基于光子晶体的全光器件设计与研究[D]. 姜宇驰.南京航空航天大学 2017
[2]等离子体时域有限差分算法及其应用研究[D]. 刘崧.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]基于光子晶体缺陷结构的光通信器件的设计与研究[D]. 彭瑶.广西师范大学 2018
[2]基于二维光子晶体的全光逻辑门研究[D]. 王浩宇.哈尔滨师范大学 2015
[3]基于光子晶体的全光逻辑门研究[D]. 保俊杰.电子科技大学 2015
[4]液晶光子晶体谐振腔的可调特性研究[D]. 殷新星.赣南师范学院 2013
[5]光子晶体带隙时域有限差分方法计算[D]. 刘锴.北京工业大学 2005
[6]光子晶体中有限结构散射特性的研究[D]. 江涛.国防科学技术大学 2004
本文编号：3599681
本文链接：https://www.wllwen.com/shekelunwen/ljx/3599681.html
