基于二维光子晶体全光逻辑门的设计与研究
发布时间：2022-02-14 23:18
随着光通信技术的快速发展,全光通信网络的发展优势越来越明显,光子晶体作为一种人工材料在研究中取得了长足的发展。由于光子晶体特殊的周期性结构,使得晶体内部运动的电子受到布拉格散射,因此产生光子带隙特性和光子局域特性。全光逻辑门在全光通信网络中能够进行快速信息处理和全光计算,提高了全光网络通信传输的高效性和可靠性。利用光子晶体带隙特性和光子局域特性,设计出更加性能优越的光子晶体全光逻辑门器件,将会提高逻辑门结构的判断效率,使得光学集成密集度更高,应用更加广泛,促进全光通信网络的快速发展。本文首先对全光逻辑门的发展和研究现状做了介绍,由于目前现有类型的全光逻辑门尺寸较大,结构复杂,存在很多的缺点,而本文采用光子晶体材料可以大大降低结构的复杂性。其次对本文研究光子晶体的两种理论方法,平面波展开法和有限时域差分法分别做了分析介绍。然后研究了光子带隙形成的影响因素,通过模拟仿真得出晶格类型、介质柱形状、介质填充率和相对折射率是光子带隙的主要影响因素,同时深入研究了不同影响因素下光子带隙的形成机制。最后在光子带隙的特性基础上,设计了基于二维光子晶体环形谐振器的全光非门和或非门逻辑结构,通过选取正方形...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1两种不同光纤组成的非对称耦合器上文提到的光学克尔效应就是指一类介质的折射率与入射光功率强度有关的非线
淮嬖诤??叵担?酥止庾泳?宓拇?对诮橹什牧辖惶媾挪嫉姆较蛏稀Ｍ?3.1(c)为三维光子晶体，它是由介质点构成，在三维方向上，两种不同的介质材料按照一定的体积大小交替周期性的排布，这也意味着它是一种全方位的光子带隙，在各个方向上均有分布，在理论上来说三维光子晶体能够实现更多的功能，但是现阶段三维光子晶体的制备工艺存在一定的难度。所以使用二维光子晶体代替三维光子晶体进行研究，能够更容易分析其在两个方向上产生的带隙，可以引入点缺陷和线缺陷，为后期研究控制光在平面内传输打下条件基矗(a)(b)(c)图3.1光子晶体结构示意图光子晶体虽然是个新名词，但是自然界中早已存在有这种性质的物质，在澳洲有一种由二氧化硅纳米球沉淀形成的宝石蛋白石，它的色彩缤纷的外观与人们认知里的色素毫无关系，其形成原因是它在几何结构上周期性排布使它具有了光子能带结构，随着带隙位置的不同，反射光的颜色也跟着发生变化。在生物界也同样存在有光子晶体的踪影，蝴蝶翅膀上的斑斓色彩，也不是色素的原因，而是翅膀鳞粉上排列整体的次微米结构，选择性反射日光的结果。生物学家还发现澳洲海老鼠的毛发也具有六角晶格结构，这与人工制备的光子晶体介质柱结构相类似。3.2光子晶体的特性分析光子晶体作为一种人工纳米材料，具有很多特性，比如自身形成的周期性、光子带隙、光子局域、自准直效应和表面态等。光子晶体最初的分析是按照半导体来研究，由于光子晶体在空间上是周期性排布，晶体内部的折射率也是呈现一定的周期，这与半导
基于二维光子晶体全光逻辑门的设计研究-18-体有很多的相似之处，所以可以用半导体的各种物理特性来分析了解光子晶体，两者的研究方法有很多的相似之处。如下表3.1为半导体与光子晶体的一般物理特性比较。表3.1半导体与光子晶体的比较特性半导体光子晶体结构结晶体由两种（或以上）介电材料构成的周期性结构尺度原子尺度电磁波波长调控对象费米子玻色子波德布罗意波电磁波波动方程薛定谔方程麦克斯韦方程组本征矢波函数电场强度、磁场强度特征带隙、杂质能级光子带隙、缺陷结构3.2.1光子晶体的周期特性如图3.2所示为二维光子晶体的结构示意图，根据示意图可以看出光子晶体类似于物理中的晶体结构，在空间上由相同结构单元无限重复形成，光子晶体的最小单元称作基元，可用物理学中对晶体空间点阵分析来研究光子晶体的周期性。图3.2二维光子晶体结构示意图用光子晶体介质材料的介电函数ε(r)来分析光子晶体的周期性，其中可用三个矢量{a1,a2,a3}基元点阵构成的晶体结构来分析，空间点阵格矢为：123=m+m+m123Raaa，m1，m2，m3为整数。ε()=ε(+)=ε()RTrrRr(3.1)
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]Ultrafast optical nonlinearity of blue-emitting perovskite nanocrystals[J]. JUNZI LI,CAN REN,XIN QIU,XIAODONG LIN,RUI CHEN,CHENG YIN,TINGCHAO HE. Photonics Research. 2018(06)
[3]Numerical analysis of end-fire coupling of surface plasmon polaritons in a metal-insulator-metal waveguide using a simple photoplastic connector[J]. YEVHENII M.MOROZOV,ANATOLIY S.LAPCHUK,MING-LEI FU,ANDRIY A.KRYUCHYN,HAO-RAN HUANG,ZI-CHUN LE. Photonics Research. 2018(03)
[4]基于在线型光纤迈克耳孙干涉仪的液位传感器[J]. 邵敏,韩亮,兆雪,傅海威,乔学光. 光学学报. 2018(03)
[5]3维函数光子晶体的特性研究[J]. 章海锋. 激光技术. 2018(03)
[6]Experimental evidence of photonic crystal waveguides with wide bandwidth in two-dimensional Al2O3 rods array[J]. 王勇,张登国,徐世祥,许彪刚,董政,黄檀. Chinese Optics Letters. 2017(06)
[7]光子禁带中原子间距对三原子间纠缠演化特性的影响[J]. 闫丽. 光学学报. 2017(08)
[8]光子晶体全光逻辑或非门和非门的设计优化[J]. 吴蓉,赵春齐,何中潇. 半导体光电. 2017(01)
[9]介质/介质和金属/介质光子晶体的光子能带和光子态密度[J]. 宗易昕,夏建白,武海斌. 激光与光电子学进展. 2016(03)
[10]基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制[J]. 赵娜,傅海威,邵敏,李辉栋,刘颖刚,乔学光. 光谱学与光谱分析. 2014(06)
硕士论文
[1]基于二维光子晶体自准直效应的全光逻辑门研究[D]. 孙晓雯.山东大学 2018
[2]二维光子晶体缺陷结构的滤波特性分析与研究[D]. 赵春齐.兰州交通大学 2017
[3]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
[4]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
[5]光子带隙型光子晶体光纤及其应用的研究[D]. 戴娟.北京邮电大学 2009
本文编号：3625448
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1两种不同光纤组成的非对称耦合器上文提到的光学克尔效应就是指一类介质的折射率与入射光功率强度有关的非线
淮嬖诤??叵担?酥止庾泳?宓拇?对诮橹什牧辖惶媾挪嫉姆较蛏稀Ｍ?3.1(c)为三维光子晶体，它是由介质点构成，在三维方向上，两种不同的介质材料按照一定的体积大小交替周期性的排布，这也意味着它是一种全方位的光子带隙，在各个方向上均有分布，在理论上来说三维光子晶体能够实现更多的功能，但是现阶段三维光子晶体的制备工艺存在一定的难度。所以使用二维光子晶体代替三维光子晶体进行研究，能够更容易分析其在两个方向上产生的带隙，可以引入点缺陷和线缺陷，为后期研究控制光在平面内传输打下条件基矗(a)(b)(c)图3.1光子晶体结构示意图光子晶体虽然是个新名词，但是自然界中早已存在有这种性质的物质，在澳洲有一种由二氧化硅纳米球沉淀形成的宝石蛋白石，它的色彩缤纷的外观与人们认知里的色素毫无关系，其形成原因是它在几何结构上周期性排布使它具有了光子能带结构，随着带隙位置的不同，反射光的颜色也跟着发生变化。在生物界也同样存在有光子晶体的踪影，蝴蝶翅膀上的斑斓色彩，也不是色素的原因，而是翅膀鳞粉上排列整体的次微米结构，选择性反射日光的结果。生物学家还发现澳洲海老鼠的毛发也具有六角晶格结构，这与人工制备的光子晶体介质柱结构相类似。3.2光子晶体的特性分析光子晶体作为一种人工纳米材料，具有很多特性，比如自身形成的周期性、光子带隙、光子局域、自准直效应和表面态等。光子晶体最初的分析是按照半导体来研究，由于光子晶体在空间上是周期性排布，晶体内部的折射率也是呈现一定的周期，这与半导
基于二维光子晶体全光逻辑门的设计研究-18-体有很多的相似之处，所以可以用半导体的各种物理特性来分析了解光子晶体，两者的研究方法有很多的相似之处。如下表3.1为半导体与光子晶体的一般物理特性比较。表3.1半导体与光子晶体的比较特性半导体光子晶体结构结晶体由两种（或以上）介电材料构成的周期性结构尺度原子尺度电磁波波长调控对象费米子玻色子波德布罗意波电磁波波动方程薛定谔方程麦克斯韦方程组本征矢波函数电场强度、磁场强度特征带隙、杂质能级光子带隙、缺陷结构3.2.1光子晶体的周期特性如图3.2所示为二维光子晶体的结构示意图，根据示意图可以看出光子晶体类似于物理中的晶体结构，在空间上由相同结构单元无限重复形成，光子晶体的最小单元称作基元，可用物理学中对晶体空间点阵分析来研究光子晶体的周期性。图3.2二维光子晶体结构示意图用光子晶体介质材料的介电函数ε(r)来分析光子晶体的周期性，其中可用三个矢量{a1,a2,a3}基元点阵构成的晶体结构来分析，空间点阵格矢为：123=m+m+m123Raaa，m1，m2，m3为整数。ε()=ε(+)=ε()RTrrRr(3.1)
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]Ultrafast optical nonlinearity of blue-emitting perovskite nanocrystals[J]. JUNZI LI,CAN REN,XIN QIU,XIAODONG LIN,RUI CHEN,CHENG YIN,TINGCHAO HE. Photonics Research. 2018(06)
[3]Numerical analysis of end-fire coupling of surface plasmon polaritons in a metal-insulator-metal waveguide using a simple photoplastic connector[J]. YEVHENII M.MOROZOV,ANATOLIY S.LAPCHUK,MING-LEI FU,ANDRIY A.KRYUCHYN,HAO-RAN HUANG,ZI-CHUN LE. Photonics Research. 2018(03)
[4]基于在线型光纤迈克耳孙干涉仪的液位传感器[J]. 邵敏,韩亮,兆雪,傅海威,乔学光. 光学学报. 2018(03)
[5]3维函数光子晶体的特性研究[J]. 章海锋. 激光技术. 2018(03)
[6]Experimental evidence of photonic crystal waveguides with wide bandwidth in two-dimensional Al2O3 rods array[J]. 王勇,张登国,徐世祥,许彪刚,董政,黄檀. Chinese Optics Letters. 2017(06)
[7]光子禁带中原子间距对三原子间纠缠演化特性的影响[J]. 闫丽. 光学学报. 2017(08)
[8]光子晶体全光逻辑或非门和非门的设计优化[J]. 吴蓉,赵春齐,何中潇. 半导体光电. 2017(01)
[9]介质/介质和金属/介质光子晶体的光子能带和光子态密度[J]. 宗易昕,夏建白,武海斌. 激光与光电子学进展. 2016(03)
[10]基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制[J]. 赵娜,傅海威,邵敏,李辉栋,刘颖刚,乔学光. 光谱学与光谱分析. 2014(06)
硕士论文
[1]基于二维光子晶体自准直效应的全光逻辑门研究[D]. 孙晓雯.山东大学 2018
[2]二维光子晶体缺陷结构的滤波特性分析与研究[D]. 赵春齐.兰州交通大学 2017
[3]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
[4]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
[5]光子带隙型光子晶体光纤及其应用的研究[D]. 戴娟.北京邮电大学 2009
本文编号：3625448
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