基于硅基一维光子晶体波导的慢光器件

论文摘要

随着时代的发展,人们对于高速通信的需求越来越大,正处在高速发展中的光电子通信技术是实现该需求的重要途径。作为信息技术与光子领域相结合最为重要的一环,光存储器件具有极其重要的不可替代作用。光信号的传播速度比电信号大几个数量级,可以大大提升计算机的计算能力。然而,与电子技术的存储环节相比,光子通信存储技术却存在着相当大的落后,面临非常大的技术难题。当今光子技术发展对器件的集成化、高速通信、低损耗、器件尺寸等都有更高的要求。在众多解决办法中,硅基光子晶体慢光器件与传统的CMOS工艺兼容,更容易实现集成化;其在宽带宽性能上的潜力,更适应未来的高速光通信技术。尽管如此,常规的二维平板光子晶体慢光器件面临着许多难题:其多排孔状结构导致加工难度增加;高精度的最小特征尺寸需求使得加工时间变长;器件竖直剖面的粗糙度造成了高损耗等。相比常规的二维平板光子晶体波导器件,一维光子晶体波导显著地减小了器件尺寸,其简单的结构同时降低了加工难度。因此,本文对基于简单结构的一维光子晶体慢光波导的光子器件进行了如下研究:（1）本文调研了硅基慢光技术的研究背景与发展现状,阐述了硅基微环结构的慢光器件和硅基光子晶体慢光器件的发展进程和趋势。并介绍了光在光子晶体波导结构中传播的理论以及光子晶体波导的计算方法。（2）本文提出了一种新的一维光子晶体波导结构。通过在一维周期性的光栅中引入多齿的结构,获得二维平板光子晶体波导中平移某一排小孔的缺陷态效应,找到具有宽带宽性质的“群折射率-波长”曲线。该鱼骨状一维光栅波导结构在群折射率为13时获得了大于10nm的带宽。为了补偿耦合损耗,本文设计了一种阶梯状耦合结构（step taper）,将耦合效率从不到20%提高至大于60%。我们对该结构的波导进行了加工并实验测试,以验证理论仿真的结果。基于法布里波罗理论的计算结果,实验中在群折射率约为12时有超过10nm的带宽。为了研究慢光波导的可调性以进一步增加带宽,本文引入新型的二维材料石墨烯,将其铺在波导上方,实验测试其热传导的调制能力。（3）本文提出了一种新的基于一维光子晶体的孔状微环谐振器结构,实现了类电磁诱导透明的传输谱。相比传统的耦合微环结构实现类电磁诱导透明效应,该单环结构大大减小了器件尺寸。并且,由于小孔和慢光自身的加强光与物质相互作用的能力,理论仿真显示该孔状微环谐振器结构的器件具有超过530的品质因数,表现出了优秀的传感性能。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 硅基慢光技术的研究背景与发展现状
•     1.2.1 硅基光子晶体器件
•     1.2.2 硅基微环慢光器件
•   1.3 研究硅基慢光技术的意义
•   1.4 本文的主要研究内容和章节安排
• 第2章 光子晶体波导的理论及仿真基础
•   2.1 光子晶体波导的理论基础
•   2.2 慢光及其性能参数
•   2.3 本章小结
• 第3章 宽带宽的一维光子晶体波导
•   3.1 引言
•   3.2 一维光子晶体波导的结构设计
•   3.3 一维光子晶体波导的仿真分析
•     3.3.1 平面波展开法能带仿真
•     3.3.2 FDTD时域仿真
•   3.4 耦合器设计
•   3.5 利用石墨烯热调
•   3.6 实验结果
•     3.6.1 器件加工
•     3.6.2 实验测试
•   3.7 本章小结
• 第4章 单个孔状微环谐振器实现类电磁感应透明现象
•   4.1 引言
•   4.2 孔状微环谐振器的结构设计
•     4.2.1 微环谐振器结构设计
•     4.2.2 一维慢光波导结构设计
•     4.2.3 耦合模理论
•   4.3 孔状微环谐振器的仿真分析
•   4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 工作总结
•   5.2 工作展望
• 参考文献
• 在校期间取得的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 叶高杨

导师: 郝然

关键词: 光通信网络,硅基慢光器件,光子晶体波导,宽带宽,电磁诱导透明

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,物理学,化学,无线电电子学

单位: 浙江大学

分类号: TN252;O734

总页数: 66

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