波导微腔耦合系统的光开关及滤波特性的研究

发布时间：2017-03-27 09:11

  本文关键词：波导微腔耦合系统的光开关及滤波特性的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：如何得到速度高、阈值低的光开关及光调制器件,是实现微纳全光集成的基础。光波导谐振腔耦合结构把谐振腔和光波导各自的特点结合了起来,能够实现微纳全光集成。光波导共振腔耦合结构在光存储,光调制,光开关,光滤波器,密集波分复用等领域有重大的应用。本论文主要研究了光波导共振腔耦合结构的光学特性,以及由其构成的光开关的特性。利用二维时域有限差分法模拟了一些光子器件的光学特性。首先,我们研究了由直波导和环形谐振腔构成的复合结构的光透射率特性,计算结果表明,在透射光谱中出现了阻带。由于这个阻带对环形谐振腔内的折射率变化很敏感.而且发现非线性双环形腔波导耦合结构可以被用来设计双通道全光开关。两开关通道的开关比分别达到16.6 dB和10.37 d1B。接着我们基于双平行直波导环形谐振腔耦合结构提出了一种双向全光开关。最后通过增加环形谐振腔的数目,可以设计多通道全光开关模型。随后,我们研究了基于金属-介质-金属(metal-insulator-metal,MIM)表面等离极化激元波导的石墨烯材料结构的可调谐光开关,并研究该结构的光透射率特性。该结构由一个输入MIM波导、两个输出MIM波导和两石墨烯网状结构组成。数值计算结果表明,由于石墨烯材料的双重特性,通过控制外加门电压的大小,可以实现该结构杰出的光开关特性。通过在不同的区域施加不同的门电压我们引入了石墨烯环形谐振腔,从而构建了一种含有石墨烯环形谐振腔结构的等离子体光开关,该开关具有尺寸小易于调谐等特点。上述结果有助于设计复合结构光开关,满足特定的开关需要。接着,我们研究了工作波段在近红外波段内的等离子体滤波器结构模型。该结构将液晶材料和光流控制系统结合起来。数值计算结果表明,通过外加光流控制系统或者通过调节液晶材料分子的取向形态可以操控滤波器的中心波长。此外,我们还提出了一种基于克尔介质的功率分束器,并且用耦合模理论和FDTD方法计算了该结构的光透射谱。研究表明通过控制外加控制光强可以调节输出波导中透过功率的比例大小。最后,我们研究了基于MIM波导边耦合谐振腔体系的等离子体相干效应。首先在MIM波导边耦合多个矩形谐振腔的结构中观察到等离子体感应透明效应,通过调节矩形谐振腔的几何参数,可以改变感应透明窗口的的位置和带宽。然后我们在一个银纳米盘边耦合两个不同长度纳米棒结构中观察到了双等离子体感应透明效应,而且这个双等离子体感应透明窗口的波长和带宽可以通过几何结构(比如金属纳米棒的长度和耦合距离)加以控制。最后,在MIM波导边耦合矩形谐振腔中引入金属纳米墙我们观察到了法诺共振。理论和模拟结果表明这个法诺共振源于矩形谐振腔模和金属纳米墙引起的腔模之间的相互作用,且通过改变金属纳米腔的厚度和其与参考平面的距离能够调节法诺共振的线型。本文的工作对于光子器件的设计和制作等起到了一定的指导作用。
【关键词】：光波导 Kerr非线性 表面等离子体激元 谐振腔 光开关 时域有限差分法
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN814
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 目录12-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 谐振腔简介14-17
• 1.2 表面等离子体激元的基本性质17-23
• 1.2.1 金属的介电常数和Drude色散模型18-21
• 1.2.2 表面等离子激元的色散关系21-23
• 1.3 金属波导的模式色散关系23-25
• 1.4 表面等离激元的应用25-26
• 1.5 本文的研究意义和结构安排26-28
• 第二章 计算模型和仿真方法28-42
• 2.1 时域有限差分方法28-35
• 2.1.1 直角坐标系下的FDTD离散方程28-31
• 2.1.2 Yee氏网格31-33
• 2.1.3 解的稳定性33-34
• 2.1.4 边界条件34-35
• 2.1.5 激励源的选择35
• 2.2 耦合模理论35-38
• 2.3 传输矩阵方法38-40
• 2.4 本章小结40-42
• 第三章 环形谐振腔的特性及全光开关的研究42-58
• 3.1 环形谐振腔的光传输特性42-44
• 3.2 全光开关的研究44-47
• 3.3 数值仿真及结果分析47-55
• 3.4 光开关的性能分析55-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第四章 石墨烯谐振腔及其全光开关研究58-72
• 4.1 石墨烯特殊的光电性质58-65
• 4.2 基于石墨烯材料的光开关的研究65-71
• 4.3 本章小结71-72
• 第五章 基于液晶谐振腔的可调谐光流滤波器的研究72-84
• 5.1 液晶和光流的介绍72-73
• 5.2 基于液晶谐振腔的可调谐光流滤波器的结构模型73-77
• 5.3 结果分析77-82
• 5.4 本章小结82-84
• 第六章 基于波导谐振腔耦合结构的功率分流计及其等离子体相干效应84-117
• 6.1 基于克尔介质的矩形谐振腔的可调谐功率分流计84-91
• 6.2 MIM波导边耦合谐振腔中的等离子体相干效应91-116
• 6.2.1 基于MIM波导边耦合谐振腔结构的等离子体感应透明效应91-99
• 6.2.2 基于纳米棒-纳米盘耦合结构的双等离子体感应透明效应99-107
• 6.2.3 基于MIM波导谐振腔复合结构的法诺效应107-116
• 6.3 本章小结116-117
• 第七章 总结与展望117-119
• 参考文献119-130
• 攻读博士学位期间发表的学术论文130-132
• 致谢132

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