调制型光子晶格中的光传输现象研究

发布时间：2020-07-30 14:21

【摘要】：微纳光子学是当今光学领域的热门研究领域之一。当结构的尺度达到微纳米量级时,光波将在其中发生一系列有趣的现象,如分立衍射、分立孤子、带隙孤子、小孔衍射增强效应、量子点发光效应等。基于以上物理现象,人们成功研制出了光波导阵列、微纳光学二极管、量子点材料、纳米激光器、纳米线栅偏振器、等微纳米光子学器件。这些工作在光互联、光开关、光通信和光集成电路等方面都具有重要的研究和应用价值。然而目前,此类研究中相当一部分关注的都是周期性微纳光子学结构。当微纳米光子学结构这种周期性被系统地调制时,光波的传输现象将可能发生严重的改变。基于以上思想,本文主要研究了以下内容：第一章的绪论部分主要阐述了几种常见的微纳光子学结构和光波在这些结构中基本的传输机制。我们首先介绍了含有缺陷的光子晶格结构；其次引入了调制型光子晶格的概念并介绍了不同的调制类型,简述了光波在这样系统中的传输规律；最后介绍了非线性光学的一些基础知识；第二章介绍了微纳光子学领域常用的光传输理论和数值方法。我们首先数学求导了描述光波传输规律的非线性薛定谔方程,介绍了平行波导中的超模理论和耦合波方程的求解方法；然后详细推导描述了文中所使用到的两种数值方法,即快速傅里叶变换光束传输法和平面波展开法；第三章中我们设计研究了四种不同类型的横向间距调制型光子晶格。数值模拟研究了光波在此类系统中的传播现象。研究发现：光波分别在由正双曲正割势垒和正矩形势垒构成的势阱结构中可以发生局域传输现象,并且出现周期性的自再现；在负双曲正割势垒构成的势阱结构中光波会出现无反射传输现象,然而在负矩形势阱中光波的传输行为将发生振荡衰减的特点。此外,我们利用负双曲正割势垒和负矩形势垒其本身能够局域光束这一性质,研究了宽光束在势垒耦合器间的线性耦合和非线性局域现象。我们的工作为光子晶格中的光束控制提供了新的思路和方法；第四章主要研究了横向间距啁啾调制型光子晶格中光波的非对称传输现象。我们用将光子晶格中波导间距分层调制的方式,设计出了可以实现光波线性非对称传输行为的光子晶格结构。从理论方面推导了光波透过率对比度的数学表达式,找出了影响透过率对比度的因素,从数值方面描述了不同调制晶格中光波的非对称传输图案。研究结果表明,透过率对比度仅与调制晶格区域两边缘处的耦合系数差有关,与调制区域的波导层数,调制啁啾类型都无关。数值和理论结果彼此间实现了很好地相互应证；第五章研究了调制型微纳光子学结构(弯曲波导)中光波的传输现象。我们设计了纵向弯曲的波导耦合器和横向间距调制的弯曲波导阵列。在一个双波导构成的弯曲耦合器中,通过改变不同的结构参量研究了影响光耦合效率的因素；在弯曲波导阵列中,同样引入了上述的四种势垒结构并以此制作出相应的势阱,研究了光束在这样调制型弯曲波导阵列中出现的类动态局域的光传输现象。结果表明,当波导沿着纵向调制遵循正弦或余弦函数时,在正双曲正割和正矩形弯曲波导阵列中,可以在不满足动态局域的条件下实现与动态局域类似的光传输效果；第六章研究了以非晶硅材料为基质的微纳光子学晶体的制作,及光波的自相位调制现象。首先我们基于慢光条件设计了两种几何结构的微纳光子晶体,并讨论了两种可行的晶体制作方案。研究了在结构支持的慢光条件下,光波在非晶硅光子晶体中出现的自相位调制效应。研究发现,由于慢光条件对于非线性效应的提升,光脉冲在传输过程中发生了明显的劈裂现象。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O437

【参考文献】